简易直流电子负载

9.2 简易直流电子负载

电子负载仪是电源制作和电池性能测试必不可少的一种仪器。它是由电子器件组成的模拟负载，用来检测各类电源带负荷特性和化学电源输出性能的仪器。在恒电流测试时加以同步计时，就可精确测出电池容量值。

9.2.1 功能要求

设计和制作一台恒流（CC）工作模式的简易直流电子负载。

技术要求：

电流设置范围为100mA～1000mA ，设置分辨率为10mA，设置精度为±1%。

当电子负载两端电压变化10V时，要求输出电流变化的绝对值小于变化前电流值的1%。

具有过压保护功能，过压阈值电压为18V±0.2V。

能实时测量并数字显示电子负载两端的电压，电压测量精度为±（0.02%+0.02%FS ），分辨力为1mV。

能实时测量并数字显示流过电子负载的电流，电流测量精度为±（0.1%+0.1%FS），分辨力为1mA。

具有直流稳压电源负载调整率自动测量功能，测量范围为0.1%～19.9%，测量精度为±1%。为方便，本题要求被测直流稳压电源的输出电压在

10V以内。

9.2.2总体方案论证

系统的关键在设计恒流源电路和高精度A/D转换电路。

1.恒流源电路方案

【方案一】恒流源可以通过一个经典的数控稳压源来实现。在输出回路串联一个电流取样电阻，通过实测电流与给定电流的比较，运用恰当的控制算法，调整输出电压使实测与给定两个电流相等，就可以达到恒流的目的。此种方案最大的问题是：不论是输入电源电压变化，还是负载变化，都要经过一段时间才能使电流稳定。

【方案二】最好的方案是一个硬件的闭环稳流电路，稳流的过程几乎不需要时间。图9.2.1就是一个典型电路。根据集成运放虚短的概念可得：

I L ≈ V i / R

R为电流取样电阻，由于R固定，因此I L完全由V i决定，只要V i不变，则I L不变，这就是恒流原理。对某一特定的V i下的I L，无论是V CC或是R L变化，利用负反馈的自动调节作用，都能维持I L的稳定。

V CC

图9.2.1 闭环稳流电路

2. A/D转换电路方案

【方案一】使用自带ADC的MCU。题目要求电压测量精度为±0.02%，故ADC的分辨率必须大于14位。而一般MCU的ADC分辨率最大仅为12位，很难满足精度的要求。

【方案二】使用专用的ADC芯片ADS1256。ADS1256是TI公司推出的具有23位无噪声精度的ADC，同时它有8个通道，可以同时满足电压、电流采样。

3. 系统框图

系统框图如图9.2.2所示，主要由三个单元电路组成。主体单元电路为恒流源电路，输出的负载电流由恒流电路运算放大器的输入电压决定，DAC的输出作为恒流源控制电压的输入。控制单元电路核心为微控制器，从键盘设定的电流数字量，经MCU处理后控制输出不同的电流。ADC采样电路将电子负载两端电压、实际输出电流转换为数字量，经MCU处理后通过点阵图形LCD显示。

图9.2.2直流电子负载原理示意图

9.2.3硬件电路

1.恒流源电路

（1）采样电阻的选择

R上电流的范围为100～1000mA，V i=I L*R，V i为DAC的输出电压。取样电阻越小，V i可以取得很低；而为了易于ADC的处理又应取大一点。电阻的功耗I2R应尽量小，避免温度过高引起R的阻值变化过大，使输出电流值产生偏差。

鉴于以上考虑，采样电阻选用金属氧化膜0.1Ω/5W的电阻，电阻两两并联后再串联进一步减小电阻的热效应，在电流为最大值1A时，每个取样电阻的实际消耗功率仅为0.25W。

（2）运算放大器的选择

V R=I L*R约为0.01~0.1V，由于DAC的输出一般为几伏，需要将V R放大40倍到0.2~4V，再与运放输入电压比较。因此这里选用一个双运放OPA2134，其中一个运放作为恒流源控制运放，另一个起放大作用。

OPA2134是一款高性能音频双运放，输入电压范围：±18V，噪声密度：3nV/√，满足精度要求。

（3）调整管的选择

常见的电流源多采用达林顿管和VMOS管两种，经过实际实验，VMOS 管的导通内阻更小，可以做到很小的饱和压降，本电路采用VMOS大功率管。选用N通道的IRF540，最大电流：30A，耐压：100V，导通电阻：0.077Ω。

（4）恒流源电路设计

恒流源电路如图9.2.3所示，主要由四个小阻值、大功率的电流采样电阻，控制运放OPA2134，VMOS功率管，电压采样电路及开路设置电路等几部分组成。DAC输出经OPA2134放大2倍，然后输入到U2A的同相端，电流采样电压经40倍放大后连接到U2A的反相端。根据运放虚短的概念，当我们设定DAC 输出2V时，U2A的同相端与反相端相等都为4V，则采样电阻上的电压为0.1V，电流为1000mA。即I(mA)=Vdac(V)*500。

被测电源电压经9倍衰减后送入ADC。即当被测电压为18V时ADC的输入为2V。当被测电源过压时，只需给继电器控制端送入低电平，那么整个电路便处于截止状态，平时保持继电器控制端为高电平。其中电位器W1，W2，W3对各级电路放大倍数起微调作用。

图9.2.3 恒流源电路原理图

2.MCU的选择

MCU种类繁多，由于系统速度要求不高，程序量不大，很多低端MCU都可以胜任。

系统对DAC的要求：I max/10=100，DAC分辨率最小为8位，为进一步提高精度选取12位的DAC。低端MCU一般不带DAC，而外接DAC会使电路变复杂，可靠性降低。选取内部带12位DAC的MSP430F2619是很合适的。它使外部电路得到简化，系统的可靠性大为提高。

（1）MSP430F2619简介

MSP430 系列单片机是德州仪器(Texas Instruments)公司推出的一种超低功耗的16位工业级混合信号微处理器。TI公司借助其在混合信号与数字技术方面的处于领先的丰富经验构建了MSP430，使系统设计人员能够同时连接模拟信号、传感器与数字组件，并同时保持无与伦比的低功耗优势。它所具有的鲜明特点使其在许多行业都得到了广泛的应用。

MSP430是TI公司的一个超低功耗微控制器系列，片内组合了不同功能模块，可适应不同应用层次的需求，在硬件架构上，采用冯诺伊曼结构，提供了五种低功耗模式，可最大限度的延长手持设备的电池寿命。MSP430系列的CPU 采用16位精简指令集，集成了16个通用寄存器和常数发生器，极大的提高了代码的执行效率。片内集成数字可控振荡器(DCO)可在1us功耗模式切换到活动模式。MSP430x2xxx是该家族中的一个超低功耗控制器系列!

MSP430F2619的特点：

低工作电压范围：1.8V－3.6V

超低功耗：

（1）活动模式365uA @1MHz，2.2V

（2）待机模式(VLO模式)0.5μA

（3）掉电模式（RAM数据保持）0.1μA

（4）5种节电模式

从待机到唤醒的响应时间小于1μs