一種多通道電子負載的設(shè)計

鄭彥樸 楊炯 丁常坤

摘 ?要：保障電源質(zhì)量的關(guān)鍵在于負載。本文從多通道電子負載的設(shè)計出發(fā)，探討電子負載的設(shè)計理念。相比于單通道電子負載，多通道電子負載能同時對多個電源進行測試，還可以并連起來測試大功率電源，在技術(shù)上，多通道電子負載雖然不是單通道電子負載的簡單堆疊，但關(guān)鍵技術(shù)是一樣的，因此，理解了單通道電子負載的設(shè)計理念，自然而然就可以對多通道電子負載設(shè)計上手。本文介紹一種多通道電子負載的設(shè)計方案：將多通道電子負載分成主機控制板、從機控制板、功率耗散板、電源板4部分來設(shè)計，對整體的方案和各部分方案進行詳細的說明，使多通道的設(shè)計更加簡易明了。經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試和測試，依照這種方案設(shè)計出來的多通道電子負載運行穩(wěn)定，能夠長時間運行，符合設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：多通道;電子負載;散熱;場效應(yīng)管

中圖分類號：TN710 ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0051-02

Abstract：To ensure the quality of power supply，the key lies in the load. This paper discusses the design concept of multi-channel electronic load. Compared with single-channel electronic load，multi-channel electronic load can test multiple power sources at the same time，and can also test superpower power sources together. Technically，multi-channel electronic load is not a simple stack of single-channel electronic load，but the key technologies are the same，therefore，to understand the design concept of the single channel electronic load can be naturally to multi-channel electronic load design. This paper introduces a design scheme of multi-channel power supply：the multichannel to design the electronic load is divided into four parts：the host control panel，from the machine control panel，power dissipation board，power board，scheme and each part of the whole scheme in detail，the design of multi channel is more simple and easy to understand，through the system debugging and testing，the design of multi-channel electronic load running is stable，able to run for a long time，meet the design requirements.

Keywords：multi-channel;electronic load;heat dissipation;field effect tube

0 ?引 ?言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種電子產(chǎn)品層出不窮，決定著電子產(chǎn)品能否正常運行最重要的因素是電源，而保證電源質(zhì)量的關(guān)鍵是負載。早期的負載器主要是采用恒定負載阻值的方式，其主要是根據(jù)實際所需的電流值和電壓值計算出實際所需的電阻值，然后選擇相應(yīng)功率的電阻來進行實際電路的搭建。這種方法的缺點是功率受限、測量范圍有限[1]。電子負載的發(fā)明與應(yīng)用提高了電源測試的質(zhì)量與效率，有利于自動測試系統(tǒng)平臺的建立。市面上常見的電子負載是單通道單機型，在工廠化的電源測試系統(tǒng)中，同一時間一臺電子負載只能滿足一個電源的測試。為了提高生產(chǎn)測試效率，需要多買幾臺電子負載組成系統(tǒng)來同時對多個電源模塊進行測試。但這種方式存在的問題是多臺電子負載的總成本較高、所占空間較大，而多通道電子負載剛好可以解決這個問題。

1 ?電子負載的介紹

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）工作在不飽和區(qū)時，漏極與源極之間的伏安特性可以看作是一個受柵源電壓控制的可變電阻[2]，這部分區(qū)域稱為可變電阻區(qū)，而電子負載是通過調(diào)節(jié)場效應(yīng)管的可變電阻區(qū)來得到相應(yīng)負載值的設(shè)備。其通過檢測場效應(yīng)管兩端電壓和流過場效應(yīng)管的電流，按所需要達到的電壓或電流來調(diào)整可變電阻區(qū)。常見的有定態(tài)測試、動態(tài)測試、順序測試、電池測試、短路測試和自動測試等多種測試功能。主要應(yīng)用于直流電源、電池、AC-DC模塊、DC-DC模塊及充電器等產(chǎn)品性能測試，為設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)線測試提供最佳的解決方案。

2 ?方案設(shè)計

2.1 ?整機方案

電子負載的設(shè)計包括主控電路、采樣控制電路、功率電路、供電電源電路。按模塊化的設(shè)計思路，多通道電子負載的設(shè)計分為4個模塊：主機控制板、從機控制板、功率耗散板、電源板，整體方案如圖1所示。從機板以板卡形式插在主機板卡上，從機板與功率板之間通過耐高溫、大電流的硅膠線進行連接，電源板為上述3個部分供電。

主機控制板與上位機通過RS232進行通信，通過上位機的操作來控制各通道的恒流（CC）、恒壓（CV）、恒功率（CW）和恒阻（CR）模式，同時也可以實現(xiàn)通道選擇、同步帶載、同步觸發(fā)、并聯(lián)控制、動態(tài)功率分配等功能，在上位機上顯示各通道的電壓和電流、功率回讀值。

2.2 ?各部分整體設(shè)計方案

（1）主機控制板：采用M0系列單片機作為整個系統(tǒng)的控制核心，與上位機之間通過RS232接口進行通信，與4個從機卡通過UART總線進行通信。（2）從機控制板：采用M0系列單片機作為從機板卡的控制核心，負責(zé)與主機板卡通過UART總線進行通信，負責(zé)對功率耗散板上的電壓電流進行采樣，控制該通道進入恒流恒壓狀態(tài)。（3）功率耗散板：系統(tǒng)中的4個相互隔離的功率消耗部分，配合散熱器和風(fēng)扇及時將熱量傳導(dǎo)到空氣中。每塊板卡含溫度檢測電路和風(fēng)扇控制電路。（4）電源板：多通道電子負載要求每個通道互相獨立，因此需要設(shè)計每個通道的獨立電源，為主機控制板、4個從機卡和4個功率耗散板分別供電。

3 ?各部分設(shè)計

3.1 ?主機控制板設(shè)計

（1）通信接口：與主機通過RS232接口通信;與4個通道的從機通過UART總線通信。（2）控制核心：選擇Cortex-M0系列單片機，帶有至少5對串口。（3）接插件：用于固定4個從機板的板卡連接器。

3.2 ?從機控制板設(shè)計

（1）主控電路：Cortex-M0系列單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計。（2）采樣電路：電壓、電流采樣電路設(shè)計，采樣電路的元器件要求低溫漂、高精度，才能保證采樣電路的精度。（3）控制電路：恒流、恒壓控制電路設(shè)計。（4）保護電路：反接保護電路、軟啟動電路。（5）監(jiān)控電路：電流、電壓監(jiān)控電路設(shè)計，可連接到示波器，用于觀察電壓電流的變化波形。

3.3 ?功率耗散板設(shè)計

該部分主要電路如圖2所示，控制信號CTR通過運放搭建的MOS管驅(qū)動電路來控制MOS管的導(dǎo)通情況，從而得到等效的電阻值。設(shè)計的關(guān)鍵點如下：（1）選用高壓、大功率的場效應(yīng)晶體管，MOS管比三極管的優(yōu)勢在于驅(qū)動電路相對簡單，耐壓較高。（2）將多路MOS管并聯(lián)，為了保證每一路的電路均衡，防止出現(xiàn)炸管情況，需要在每一路串聯(lián)一個均流電阻。由于MOS管與電阻的溫度系數(shù)相反，兩者串聯(lián)起到相互制約的效果，從而使得每一路的等效電阻相等，達到均流效果。（3）采樣電阻可選錳銅電阻，錳銅電阻具有低至10PPM/℃的溫漂，低至0.1%的精度，可保證電流的采樣精度。（4）場效應(yīng)管產(chǎn)生的熱量通過采用散熱器加風(fēng)扇的方式，排到大氣中。熱設(shè)計的注意點如下：1）根據(jù)電子負載所需耗散的最大功率向散熱器廠家定制散熱器，定制回來后進行嚴格的測試。2）通過溫度傳感器檢測散熱器上的溫度，分階段來調(diào)節(jié)風(fēng)扇風(fēng)速，按PWM方式逐步調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，配合場效應(yīng)管快速將產(chǎn)生的熱量排出。3）由于需要保證多通道電子負載的每個通道互不干擾，因此每個通道的散熱器之間均需要保持一定的距離。

3.4 ?電源板設(shè)計

（1）主機板上的MCU需要3.3V供電，主機板上的數(shù)字電路對紋波的要求不高，可采用開關(guān)電源方式。（2）從機板上的MCU需要3.3V供電，運放需要±12V供電，基準(zhǔn)芯片需要5V供電，從機的模擬電路部分對電源紋波敏感，需采用線性電源方式。（3）風(fēng)扇電路部分需要9V供電，可采用開關(guān)電源方式。（4）主板和從機板之間、各從機板之間的電源都需要互相獨立。（5）綜合上述幾種供電情況，可采用現(xiàn)成的開關(guān)電源適配器的方案，對于模擬電路采用加線性穩(wěn)壓器的方式最大程度地減少紋波干擾，處理好地線減少共模干擾，其他模塊可以直接使用開關(guān)電源。

4 ?結(jié) ?論

本文給出了一種多通道電子負載的模塊化設(shè)計方案，將多通道電子負載系統(tǒng)分成主機控制板、從機控制板、功率耗散板、電源板4大模塊，并對每個模塊的設(shè)計方案進行詳細介紹，降低了多通道電子負載的設(shè)計難度。當(dāng)然，該設(shè)計方案只是簡化版，多通道還有很多功能可以添加，在生產(chǎn)中，將多通道整合到測試系統(tǒng)平臺中，將大大提高電源類產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，促進電子設(shè)備的發(fā)展。

參考文獻：

[1] 徐超，武東健，吳永紅，等.一種多通道電子負載器的設(shè)計 [J].宇航計測技術(shù)，2015，35（6）：82-85.

[2] 李衛(wèi)華，謝珩.關(guān)于電子模擬負載研究現(xiàn)狀的探討 [J].新余高專學(xué)報，2005（2）：47-49.

作者簡介：鄭彥樸（1991.10-），男，漢族，廣東汕頭人，硬件工程師，本科，研究方向：電子負載技術(shù)研究。