电子负载_电路图_设计方案完整版

摘 要

本系统是基于MSP430单片机控制的电子负载，首先通过比较器将D/A 给定的值和电路中的电流值反馈回来的电压值相比较。再将比较结果送给功率器件的门极进行控制。开关管出来的波形经过滤波之后使用电阻消耗功率。再采样输入电流信号反馈给比较器，从而形成一个闭环系统达到恒流的目的。系统中用带中文字库的液晶实时显示采样电流，电压和设定值等。通过独立按键控制电流步进。

Abstract

The system is based on the MSP430 single-chip electronic load, first through the comparator will D/A the given value and the current in the circuit to value feedback voltage value is compared. The comparison of the result to the power device gate control. Switch tube of the waveform is filtered after using the resistance power consumption. Sampling input current signal is fed to a comparator, thereby forming a closed loop system to achieve the purpose of constant flow. System with Chinese character LCD display real-time sampling current, voltage and the setting value. Through the independent button control current step.

一、 方案论证 1. 功率消耗方案

方案一：采用功率场效应管（POWER MOS ）、绝缘双极型晶体管（IGBT ）等功率半导体器件工作在线性放大区，代替电阻等作为电能消耗的载体。优点是使得负载的调节和控制易于实现，能达到很高的调节精度和稳定性。该方案需要多个开关管并联使用，需要外加较大的散热片。

方案二：使用固定阻值功率耗散电阻消耗电路输出功率。通过控制开关管的PWM 波的占空比控制输入整个系统的电流。优点是采用功率耗散电阻成本低，而且只需要一个开关管。开关管工作在完全导通和完全关断状态，开关损耗小、寿命长。

根据以上分析，本设计采用方案二，以实现在低成本的情况下达到题目要求。 2．开关管驱动PWM 波产生方案 方案一：采用TI 公司的开关电源专用芯片TL494产生稳定的PWM 波控制开关管。TL494内部集成两个误差放大器，通过电压反馈能对PWM 信号的占空比进行调节，从而精确地调整输出电压具有较高的驱动能力，开关管能工作在完全导通或完全截止的理想状态，

它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激、半桥式、全桥式开关电源。能提供很高的供电质量。

方案二：使用LM358运算放大器将给定电压和整个系统的输入电流反馈回来的电压相比较产生一个PWM 波控制开关管，优点是电路非常简单也能较好的控制开关管导通状态成本非常低，但由于放大器不是理想器件，开关频率不会太高供电质量低谐波大。

但是本设计采用功率耗散电阻消耗功率对供电质量没有要求。综合考虑采用最简单实用的方案二。

3．采样电阻选择 方案一：采用低电阻值高功率水泥电阻采集干路中的电流信号，散热不易发热严重，温度漂移大影响精度。 方案二：采用电阻值为m /679.0 的康铜丝绕制采样电阻，由于电阻丝很长，利于散

Ω==3I

U

R 热能够承受很大的电流，能够获得精度非常高的采样电阻值。而且康铜丝温度漂移非常小。 根据以上分析选择方案二。

4．电流采集方案 方案一：采用OPA2340构成三运放减小温度漂移带来的影响，放大采样电阻上的微弱差分电压信号。由于用碳膜电阻误差能达到5%所以难以十分精确地获得想要的放大倍数和采样精度。 方案二：采用电流并联监控器INA282。放大微弱电压信号，有效增益50v/v 温度漂移低，供电范围宽广。具有非常高的准确度，宽共模范围。外围电路十分简单，系统稳定性高。 根据以上分析采用方案二。 5. 过压保护方案 方案一：采用单片机控制A/D 采集被测电源两端的输出电压信号，一旦电压值超过阀值电压，通过控制D/A 将给定电压调至0V 。从而关断开关管断开回路，达到保护的功能。 但是一旦被测电源电压超过开关管击穿电压，电路仍然会导通并烧毁电路 方案二：采用单片机控制A/D 采集被测电源两端的输出电压信号，一旦电压超过阀值电压，通过IO 口输出低电平控制三级管驱动继电器。继电器断开常闭触点，达到电气隔离的目的。由于使用了24位A/D ，动作电压十分精确。能够程序控制，十分灵活。 方案三：使用18V 稳压管，继电器、一个按键构成起动、保持、停止简称（起保停电路）典型控制电路。当电压值超过18V 的时候，18V 稳压管导通，继电器线圈得电并自锁，断开继电器常闭触点。从而达到过压保护的功能。当解除过压故障后手动断开继电器线圈电压。继电器线圈失电并自锁闭合常闭触点，回路导通。但是稳压管击穿电压并不能十分精确的控制在18V 。

综合考虑选择方案二，简单实用，成本低。 二、 理论分析与计算

系统拓扑图

1. 功率耗散电阻的选择与计算。

设计系统最低工作电压为3V ，最大电流值为1A 。被测电源输出功率为3W ，那么功率耗散电阻需要耗散掉3W 的功率。此时假设占空比为100%开关管完全导通，加在滤波电路前的电压值为3V ，因为有续流二级管分流，所以流过功率耗散电阻的电流最

v U

IN 10=v U IN 10=W

A V UI P 10110=⨯==

小为1A ，若经过滤波没有电压损失，加在负载上的电压为3V 。那么功率耗散电阻的最大值为

取一定的裕量功率耗散电阻选为2欧姆，由于功率耗散电阻需要消耗大量的热过大电流 使用大电阻值康铜丝绕制，实际电路中使用20欧姆6安的滑线变阻器代替。 2. 反馈电压参数相关计算。

系统A/D 采样芯片为ADS1255采集电压范围为0-6v 。电流并联互感器增益为50V/V 所以采样电阻上的电压采集范围为0-120mv 。电路中的最大电流为1A ，所以根据R I U ⨯=可知采样电阻最大为0.12欧姆，选取一定的裕量设定电阻为0.1欧姆 3. 单闭环控制回路的论证与计算。 设当前被测电源输入电压为， 功率耗散电阻为2欧姆。 系统设定输入电流恒定为1A 培。采样电阻为0.1欧姆，此时采样电压信号为0.1V 电流并联互感器增益50倍，反馈回比较器的电压为5V 。那么要使系统平衡，单片机D/A 输出电压值为5V ，当回路中的电流降低时，反馈电压降低。给定值大于反馈电压，比较器输出高电平，开关管导通。电压整流后流经功率耗散电阻并消耗，系统中电流增大。反馈电压信号同时增大，当反馈电压高于5V 时比较器电输出低电平开关管关断。周而复始产生一个PWM 波控制开关管，反映到示波器上为占空比变化。 当被测输入电压为 功率耗散电阻为2欧姆。 设定输入电流为1A 那么当前功率耗散电阻消耗的功率为 假设当前开关管占空比为100%在单位时间T 内消耗的能量为

T PT W 10== 当电压提升为15V 时要维持电路中电流恒定，也就是在单位时间T 内功率消耗电阻上消耗的能量不变。

此时负载输出功率为W A V UI P 151151=⨯==

那么假设当前开关管占空比为100%时消耗在电阻上的能量

11115T T P W =⨯=

要使功率消耗电阻上消耗的能量想等那么导通的时间为

1W W = T T 10151=∴

T T 3

21= 开关管占空比为66.6%

当时间开关频率非常高的时候在时间T 内消耗的热仍然为10T 那么流过负载上的电流等效为1A 。

实际测试中由于开关管有管压降，滤波电路发热消耗功率，开关管占空比有2%左右的提高在误差允许范围之内。

综上所述电路能够稳定运行，恒定电流。