直流电子负载

电子技术课程设计

直流电子负载

综合课程设计

2011112030529徐腾

电子信息工程

物理与电子科学学院

2014．1. 5

电工电子中心2009年5月绘制

简易直流电子负载的设计

摘要：电子负载是利用电子元件(电阻、电容、电感)吸收电能并将其消耗的一种模拟真实负载，主要进行电源设备的性能实验。本系统以恒流（CC）工作模式，采用导通电阻极小的场效应管IRF530N作为功率器件。以STC12C5A60S2单片机为控制器，来实现恒流电流设定，电压电流测量，LCD显示等模块，实现并制作了简易直流电子负载。该负载能在

100mA~1000mA以20mA的电流步进值实现很好的恒流效果，精度达到1%。该负载还能测量直流稳压电源的电压调整率，并且具有过压保护功能,这是普通电阻负载所无法实现的。

关键词：恒流源（CC）；IRF530N ；负载调整率;过压保护

一．任务解析

该系统制作一台恒流（CC）工作模式的简易直流电子负载，即不论输入电压如何变化（在一定范围内），流过该电子负载的电流恒定，且电流值可在100mA～1000mA可设定。

该系统主要分为恒流模块、MCU控制模块、电压电流检测模块、显示模块、过压保护模块。

系统原理框图如图1所示：

图1 系统原理框图

1.1 控制器的方案论证与选择

方案一：采用89C52单片机

方案二：采用12C5A单片机

STC12C5A系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机。是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S)，针对电机控制，

强干扰场合。

综合考虑，STC12C5A单片机具有如此多的优秀的特点，且满足题目所需，因此我采用方案二。

1.2 恒流方案论证与选择

方案一：纯软件编写来实现恒流控制，但是要用到PID算法，而且需要调整三个参数，算法比较复杂。

方案二：通过单片机控制DA输出可调的稳定电压，经过LM324运放和MOSFET组成电压跟随器，使得取样电阻两端的电压恒定，从而实现恒流。

方案二的软件算法和硬件电路都比较简单。因此我采用方案二。

1.3 采样电阻的方案论证与选择

题目要求恒流工作模式的最大电流为1A。

方案一：用10个10Ω/1/8W的电阻并联，则流过每个电阻的电流为0.1A,每个电阻的功率就是0.1W，接近1/8W的极限，很容易烧坏电阻，而且当电阻发热之后，阻值会随着温度的升高而增大。

方案二：采用10个10Ω/1W的功率电阻并联，则流过每个功率电阻的电流为0.1A,每个电阻的功率就是0.1W，为功率电阻额定功率的1/10，因此可降低电阻的温升，但实际测试中还是有很大的温漂。

方案三：采用0.3Ω金属膜大功率电阻，功率最大可达到3W，而且在实际运用当中温漂比较小。

综合各方面的因素考虑，我采用方案三。

1.4 过压保护电路基准电压的选取

方案一：用单片机监测被测电源的电压，如果检测到被测电源电压超过16V，用软件实现场效应管得关断，实现过压保护。

方案二：采用回差比较器来实现，如果被测电源的电压超过16V,回差比较器输出控制场效应管关断，实现过压保护。

由于硬件电路比较可靠，可防止单片机死机之后无法实现过压保护。因此，我采用方案二。

1.5 DA的选择

方案一：采用DAC0832

方案二：采用DAC7612

DAC7612是一款双通道，12位数字 - 模拟转换器（DAC），保证12位单调性在整个工业温度范围内的性能。它需要一个+5 V电源，并包含一个输入移位寄存器，锁存，2.435V参考，双通道DAC，和高速轨到轨输出放大器。对于满刻度步骤，每个输出7ms内稳定到1LSB而只有消费3.7MW。同步串行接口是兼容各种各样的DSP和微控制器。时钟（CLK），串行数据输入（SDI），片选（CS）和负载的数模转换器（LOADDACS）包括串行接口。鉴于以上优点，我选择了DAC7612。

1.6基准模块

采用TL431设计标准2.5V的基准电压供给过压保护的门槛电压。如图2所示

图2 图3

1.7恒流电路分析

如图3所示

当运放的同相输入端给一固定电压UREF，根据运放虚短的特性可知反相输入端电压也为UREF，那么采样电阻上的也为UREF，流过采样电阻的电流为UREF/0.3Ω。如果电流大于UREF/0.3Ω，那么运放的反相输入端电压必然大于UREF，由于运放虚短特性，必然会调节输出电压，控制MOSFET的栅源电压来减小漏极电流，使漏极电压等于UREF，从而实现恒流特性。

1.8 电压的测量及精度分析

电压检测电路如下图4所示。电压检测使用的是STC公司12C5A单片机自带10位的高速AD，AD的参考电压定为5V，所以AD输入电压的范围为0~5V。故分压电路需使R8两端分得的电压为0~5V。可以假定当被测电源的电压为20V时，使R8两端分得的电压为5V。同时考虑到使支路电流约等于0.1mA的原则，所以R2+R8≈200K。故取R8=150K，R2=50K。

图4 AD电压检测

1.9电流的测量及精度分析

电流检测电路如下图5所示。由于采样电阻取值为0.3Ω，流过采样电阻的电流最大为1A，所以它两端最大的压降为是0.3V。由于AD输入电压的范围为0~5V，所以可以把采样电阻两端的电压通过同相比例放大电路放大16倍后再进行AD检测。因此取R13=6K，

R12=100K。

图5 AD电流检测

二．方案实施

2.1 恒流模块电路设计

恒流源电路如下图6所示。由于DA输出电压为0～5V，要使运放同相端的电压为0～

0.3V，则R5：R7约为100：6，取R5=100KΩ，R7=6KΩ。DA输出一固定电压，通过R5，

R7分压后送到运放的同相输入端，由运放的虚短的概念可知，运放反相输入端电压等于同相