簡易直流電子負載的設計分析

張志雄

摘 ?要：文章描述的電子負載由MSP430單片機、D/A轉(zhuǎn)換器、恒流源調(diào)整電路、電壓取樣放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、液晶顯示等部分組成。采用了12位的TLV5618芯片，并且單片機通過它來控制恒流源的輸出。恒流源部分中，采用了大功率場效應管IRF640，更易于實現(xiàn)電壓線性控制電流。在取樣電路中，通過對取樣電阻兩端的電壓進行放大之后送至A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機通過它得到相應電壓值，進而算得流過負載的電流，整個設計簡單、可靠。

關(guān)鍵詞：直流電子負載;恒流源;模數(shù)轉(zhuǎn)換;軟件開發(fā)

中圖分類號：TN722.77 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2016）03-0083-02

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，恒定電流源的應用將十分重要。恒流源是可以穩(wěn)定提供某種電流的電流源，在電子設計中得到了廣泛應用，且在很多單元電路中都是不可缺少的。本設計要求我們自制一個范圍為100 ～1 000 mA數(shù)控恒流源，它可以通過按鍵進行100 mA的步進，而且精度為±1%，要求本系統(tǒng)可以實時測量并顯示負載兩端的電壓（精度為±（0.1%+0.1%FS））和流過負載的電流（精度為±（0.2%+0.2%FS））。設計需要制作恒壓源，且恒壓輸出值為5 V，誤差為小于2%，設定最小輸出電流為1 A，紋波值與噪聲值小于20 mV。并用數(shù)控恒流源來測量自制電源的負載調(diào)整率。

1 ?方案設計與論證

1.1 ?穩(wěn)流源設計

1.1.1 ?三種設計方案

方案一：采用具有穩(wěn)流作用的二級管或三級管，雖然穩(wěn)流精度較高，但電流的穩(wěn)定范圍受到很大的限制，通常只有數(shù)十毫安，達不到設計要求。

方案二：采用線性可控穩(wěn)流源。此方法需要調(diào)整不斷調(diào)整外圍電阻值的大小，實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的功能，且能夠?qū)崿F(xiàn)1～ ? ? ? ? ?3 000 mA的電流輸出。我們通常采用兩種方法來調(diào)整輸出電流：可以采用調(diào)整可調(diào)電阻來不斷調(diào)整輸出電流，但此法不能實現(xiàn)數(shù)字連續(xù)可調(diào)的要求;也可以采用數(shù)字電位器來調(diào)整電阻值，此法固然可以滿足設計要求，但該器件的電阻步進值偏大，很難滿足對輸出電流的線性調(diào)整。

?方案三：使用電壓控制電流源電路。依靠調(diào)整穩(wěn)流源的供電電壓，利用改變輸入電壓值來調(diào)整電流的輸出值壓控恒流源利用MSP430給出調(diào)節(jié)量，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M信號，后經(jīng)大功率場效應管進行電流放大。單片機對輸出電流進行連續(xù)地、實時的跟蹤，利用單片機作為輸出反饋環(huán)節(jié)，由單片機調(diào)節(jié)功率管進行恒流輸出。

即便負責發(fā)生變化，輸出電流幾乎保持不變，如此以來，靠著簡單的電流閉環(huán)反饋系統(tǒng)就可以實現(xiàn)輸出電流值與設定值保持一致。

1.1.2 ?方案選擇

方案一雖精度高，但是恒流范圍小;方案二步進調(diào)節(jié)不便，且調(diào)節(jié)精度不高;方案三利用數(shù)字調(diào)控來保證恒流源性質(zhì)的電流輸出，不僅實現(xiàn)了設計功能，還簡化了系統(tǒng)的操作，故此方案最佳。

1.2 ?電流源電路

方案一：采用開關(guān)穩(wěn)壓電源，其輸出電流大，能滿足輸出1A電流的要求，其外圍元器件較少，但是其紋波較大，不太好濾除。

方案二：采用三端線性穩(wěn)壓電源，其有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良、調(diào)試方便、價格便宜等顯著優(yōu)點，而且能提供的最大電流可達到1 A，重要的是它的紋波較小，可以實現(xiàn)輸出紋波<20 mV。

方案選擇：根據(jù)上述比較，我們采用方案二。

2 ?系統(tǒng)總體設計

2.1 ?系統(tǒng)框圖

?本系統(tǒng)由MSP430單片機、D/A轉(zhuǎn)換器、恒流源調(diào)整電路、電壓取樣放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、液晶顯示等部分組成，系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

2.2 ?單元電路設計

2.2.1 ?VCCS的設計

?壓控電流源是整個電路的重要組成環(huán)節(jié)，其主要功能是用輸入電壓對輸出電流進行連續(xù)調(diào)控，在此設計中，指標對于輸出電流的范圍和控制精度有較高的要求，因此設計好壓控恒流源電路是一項很重要的工作。單元電路圖，如圖2所示。該VCCS電路由集成運算放大器、大功率MOSFET-Q1、取樣電阻元件R3、輸出調(diào)整電阻R1等構(gòu)成。

對于單元模塊中的調(diào)整管，我們選用大功率MOSFET-IRF

640。之所以選用MOSFENT，目的是便于實現(xiàn)輸入電壓對輸出電流的線性調(diào)節(jié)，既可以實現(xiàn)對最大輸出電流值2 A的設計指標的要求，更能夠很好地達到利用輸入電壓對輸出電流的連續(xù)地、線性的調(diào)節(jié)。

在此電路中，場效應管是工作在飽和狀態(tài)去的，其漏極漏電流Id非常接近由柵源極電壓Ugs進行控制的輸出電流值。也就是說，當UD為定值時，我們有：

ID=f（UGs），

只要UGs不變，Id可以保持恒定。

?在這個電路模塊中，R3為采樣元件，利用多股康銅絲為材料（因為康銅絲的阻值的溫度系數(shù)很?。笮?.1 ？贅。同時，利用把儀用運算放大器OPA340設計成電壓跟隨器電路，由于Ui=Up=Un，MOSFET的Id=Is（柵極電流太小，可以忽略不計）， 故有：

Io=Is=Un/R3= Ui/R3

這樣以來，我們就實現(xiàn)了利用輸入電壓UI對輸出電流Io進行調(diào)節(jié)，即輸出電流不因負載電阻的改變而改變，最終實現(xiàn)電壓控制恒流源的目的。

2.2.2 ?輸出電流取樣電路

?輸出電流取樣電路圖，如圖3所示。

設計要求測量恒流源的電流輸出值，我們選擇輸出回路中接入取樣電阻，將輸出電流轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭妷褐档姆椒▉慝@得電流輸出值的測量。為減少對負載電路的影響，選取的采樣電阻值應盡可能的小，實際中我們選用的阻值為0.1。由于采樣電阻很小，因而其兩端的電壓也很小，不能直接將其電壓送入A/D芯片中，我們需要先進行放大。在放大部分，我們選用了TI公司的OPA340，其為一款儀用放大器，可以對微小的信號進行精密放大，且具有很高的共模抑制比，能滿足設計的要求。

3 ?軟件設計

軟件設計在基于VCC開發(fā)平臺上采用C語言開發(fā)，很多功能都做成了子程序文件，供主函數(shù)調(diào)用，其難點在于功能按鍵的分支流程設計。在開發(fā)及調(diào)試的過程中，我們遇到很多的問題，如不能及時響應按鍵觸發(fā)的事件，電流采集值與顯示值不準等問題。經(jīng)過團隊的判斷與分析，我們覺得是某些參數(shù)的設置出現(xiàn)了不當。當我們更改參數(shù)后，幾乎沒有調(diào)整其他程序代碼，就可以實現(xiàn)設計要求的參數(shù)指標了。當然，合適的算法和正確的編程思路也是功不可沒的。

4 ?結(jié) ?語

?在本系統(tǒng)完成設計后的測量過程中，測量電流值不停跳變，我們分析原因，使用的5 V穩(wěn)壓電源不夠穩(wěn)定，導致其提供給A/D和D/A芯片的參考電壓不穩(wěn)定，進而導致測量的電流不穩(wěn)定，后來我們使用電壓基準源為A/D和D/A芯片提供參考電壓，問題得到解決。由此可見，在電子產(chǎn)品的設計中，方案論證和計算很重要，它是設計成功的重要保證，同時也不能忽視后期的調(diào)試工作，往往調(diào)試比設計會帶來更多的問題，有待我們經(jīng)過分析后再不斷地改進設計。

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