一種簡(jiǎn)易直流電子負(fù)載硬件設(shè)計(jì)

張 震，趙立偉

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部遠(yuǎn)望5號(hào)船，江蘇 江陰 214431)

0 引言

電力電子技術(shù)的快速發(fā)展加速了電氣設(shè)備的改革，使各種新型電器設(shè)備廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在工業(yè)生產(chǎn)和我們平時(shí)的生活中都會(huì)用到多種多樣的負(fù)載來測(cè)試電源性能，不同的電源要對(duì)其輸出電壓電流進(jìn)行整定調(diào)試，只有通過負(fù)載測(cè)試才能保證電器設(shè)備的可靠性[1]。在這些測(cè)試中都會(huì)用到負(fù)載，負(fù)載的主要作用是用于吸收或者消耗掉能量，但這種負(fù)載包含了各種不同的要求，有的負(fù)載需要電阻恒定，有的負(fù)載需要電壓恒定等，在這種情況下就需要一種可以滿足多種要求的負(fù)載來支持設(shè)備的測(cè)試。

1 直流電子負(fù)載的實(shí)現(xiàn)方案與設(shè)計(jì)方向

在電流恒定的模式中，不管待測(cè)電源如何變化，直流負(fù)載都以恒定的值吸收電流。這種工作模式經(jīng)常被用于測(cè)試電源的負(fù)載調(diào)整率以及電池的恒流充放電，所謂的負(fù)載調(diào)整率就是當(dāng)負(fù)載變化時(shí)輸出穩(wěn)定電壓的能力。

1.1 直流電子負(fù)載的結(jié)構(gòu)

直流電子負(fù)載測(cè)試的基本原理是通過PWM控制[2]MOS管的開關(guān)時(shí)間使得電路中的電流發(fā)生改變而實(shí)現(xiàn)的。

通過對(duì)于上述直流電子負(fù)載結(jié)構(gòu)的參考和總結(jié)，本設(shè)計(jì)可以分為多種模塊組合而成的電子電路，主要工作模塊有以下幾個(gè)部分：實(shí)現(xiàn)控制的單片機(jī)80C51模塊；顯示設(shè)定值與測(cè)定值的LCD顯示模塊；輸入設(shè)定值的鍵盤輸入模塊；使設(shè)定值轉(zhuǎn)化成模擬量的D/A轉(zhuǎn)換模塊；將檢測(cè)值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的A/D轉(zhuǎn)換模塊；經(jīng)MOS管消耗功率的功率模塊。

表1 直流電子負(fù)載的結(jié)構(gòu)

1.2 直流電子負(fù)載的總體結(jié)構(gòu)框圖

直流電子負(fù)載的總體結(jié)構(gòu)[3]如圖1所示，由圖可知本設(shè)計(jì)的核心部分是單片機(jī)控制模塊，它起著中流砥柱的作用，由它將所有的模塊連接在一起實(shí)現(xiàn)我們所需要的電子負(fù)載功能。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2 直流電子負(fù)載系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 電流恒定的工作模式

如圖2所示，為恒流工作模式[4]的基本電路圖，此圖的工作原理是：DA(DA由單片機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出)經(jīng)過電阻R1和R2的分壓變?yōu)殡妷篣1，加至電壓比較器的同相端，R3上的電流為I，I=U0/R3加至電壓比較器的反向端形成反饋調(diào)節(jié)。在電路處于穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)下，當(dāng)I增加的時(shí)候U0增加使得U1-U0<0,從而使得驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM波的占空比減小，導(dǎo)致MOS管的關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)，電流I減??；當(dāng)I減小的時(shí)候U0減小使得U1-U0>0,從而使得驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM波的占空比增加，導(dǎo)致MOS管的關(guān)斷時(shí)間縮短，電流I增加；只有當(dāng)U0與U1相等時(shí)電路恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，并且因?yàn)閁1不變，U1=U0，I=UO/R3，所以I保持不變，從而實(shí)現(xiàn)電流穩(wěn)定。檢測(cè)過程中需要注意的是IRF540的最大承受電壓為100V，考慮到留有裕量所以VCC2的值不能大于90V。

圖2 恒流工作模式

2.2 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用的控制系統(tǒng)芯片為80C51單片機(jī)。下面我們以51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)展開設(shè)計(jì)。

51單片機(jī)的最小系統(tǒng)包含了：電源模塊、復(fù)位電路、震蕩電路。

電源模塊：一個(gè)穩(wěn)定的電源供給是單片機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的良好保障，因此電源穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

復(fù)位電路：復(fù)位電路的功能就是能將單片機(jī)恢復(fù)初始化。一般單片機(jī)的復(fù)位方式分為兩種：按鍵復(fù)位和上電復(fù)位。

振蕩電路：振蕩電路的參數(shù)設(shè)置受到單片機(jī)芯片的限制，不同的單片機(jī)最大晶振頻率不同，運(yùn)行的速度也不一樣。晶振越快，運(yùn)行時(shí)速度也越快。

2.3 鍵盤模塊

鍵盤的基本連接方式有兩種，矩陣式鍵盤和非矩陣式鍵盤。鍵盤的基本實(shí)現(xiàn)方式也有兩種，按鍵中斷以及按鍵掃描。

我們采用矩陣鍵盤的連接方式和鍵盤掃描的實(shí)現(xiàn)方式，這樣選擇的優(yōu)點(diǎn)在于可以用最少的I/O口實(shí)現(xiàn)最多的按鍵功能，也可以減少中斷資源的占用。

本設(shè)計(jì)采用的是4×4矩陣鍵盤[5]作為數(shù)字輸入端，如圖3所示。

圖3 4×4矩陣鍵盤

其運(yùn)行方式為：P14-P17作為鍵盤的行線被系統(tǒng)掃描，P10-P13作為鍵盤的列線被系統(tǒng)掃描。

2.4 顯示模塊

本設(shè)計(jì)經(jīng)比較選用了LCD顯示方式，其優(yōu)勢(shì)在于顯示的亮度強(qiáng)，穩(wěn)定性好，顯示的信息種類遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于數(shù)碼管，占用的I/O口也比數(shù)碼管顯示方式要少。

2.5 A/D轉(zhuǎn)換模塊與D/A轉(zhuǎn)換模塊

本設(shè)計(jì)選用ADC0804芯片完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，該芯片滿足本設(shè)計(jì)的基本要求。在本設(shè)計(jì)中ADC0804的連接方式如圖4所示，芯片的工作狀態(tài)受單片機(jī)的控制，即由單片機(jī)控制I/O口輸出高電平或者低電平(CS=P3^4;RD=P3^7；WR=P3^6;)使得芯片啟動(dòng)或者停止。

圖4 ADC0804芯片

本設(shè)計(jì)選用DAC0832芯片完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，連接方式如圖5所示。DAC0832具有三種工作方式：直通、單緩沖、雙緩沖。我們選擇單緩沖工作方式，采用這種工作方式時(shí)輸入寄存器工作在受控狀態(tài)下，DAC寄存器在直通狀態(tài)下工作，這樣可以簡(jiǎn)化芯片的輸出控制程序和外部接線。

圖5 DAC0832芯片

DAC0832芯片的工作狀態(tài)受單片機(jī)的控制，即由單片機(jī)控制I/O口輸出高電平或者低電平從而控制芯片的數(shù)據(jù)寫入。DAC0832在電子負(fù)載中起到了一個(gè)輸出模擬信號(hào)的作用，具體來說使輸出一個(gè)基準(zhǔn)的電壓值，對(duì)于電流恒定的模型來說，這個(gè)基準(zhǔn)電壓值通過電壓比較器和MOS管的源極電壓比較從而控制MOS管的開關(guān)時(shí)間，最終達(dá)到近似相等，又因?yàn)樵礃O電壓是源極電流經(jīng)采樣電阻而得到的，所以達(dá)到了控制源極電流的目的。

2.6 場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET

本設(shè)計(jì)通過查閱文獻(xiàn)資料總結(jié)了三種適合直流電子負(fù)載的MOS管，如表2所示。

表2 不同MOS管的比較

通過上表的總結(jié)本設(shè)計(jì)選用IRF540場(chǎng)效應(yīng)管，本設(shè)計(jì)的電流范圍是0A～10A,最大功率為100W，該管的最大承受電壓是100V，最大漏極電流為28A，滿足設(shè)計(jì)的要求并且留有足夠的裕量。

3 硬件總體結(jié)構(gòu)圖

硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 硬件總體結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

本文針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)，選擇合適電子元器件，做了一種簡(jiǎn)易直流電子負(fù)載的硬件設(shè)計(jì)，在工程應(yīng)用方面，需要繼續(xù)深入研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。在硬件設(shè)計(jì)方面還可以在采樣電路、增加能量反饋模塊、增加功率消耗模塊等方面均有很多值得探索的技術(shù)，需不斷進(jìn)行完善，進(jìn)一步豐富直流電子負(fù)載的功能。