基于STM32的恒流電子負載設計

谷志陽（溫州職業技術學院 電氣電子工程系，浙江 溫州 325035）

基于STM32的恒流電子負載設計

谷志陽
（溫州職業技術學院 電氣電子工程系，浙江 溫州 325035）

為解決負載精度差，無法達到恒流或恒壓的問題，以STM32為控制核心，集按鍵設置、LCD顯示、電壓檢測、電流檢測、極端保護等功能為一體，設計一種恒流電子負載。測試結果表明，該電子負載恒流穩定性好、精度高、負載變化范圍廣、效率高、結構簡單，具有一定的實際應用價值。

STM32；恒流；電子負載；精度

0　引 言

在各種電子產品設計及測試過程中，負載是普遍使用的一種配件。在大多數條件下使用者通常采用電阻、電容、電感等或它們的串并聯組合作為負載，模擬真實的負載情況進行電源設備的性能試驗[1]。這種負載作為測試的配件，精度差，對于如LED驅動器等電源產品的測試無法達到恒流或恒壓測試的目的[2]。由于其不可控性，在不同的測試條件下其負載的變化很大而導致測試需要不斷地更換負載[3]。電子負載一般采用MOSFET或IGBT管等代替電阻作為能耗體，使得調節和控制易于實現并能達到高精度、高穩定性的要求[4]。在復雜條件下電子負載還可模擬一些特殊的負載波形曲線，測試電源設備的動態和瞬態特性等[5]。

1　系統功能結構

根據實際的小功率LED驅動電源的應用測試要求，本文以STM32為控制核心，設計具有按鍵調節、LCD顯示等功能的恒流電子負載。恒流電子負載可通過檢測電源的輸出電壓和輸出電流，將檢測結果加以顯示；通過自身設定，改變流經負載電流值，測試負載調整率等功能特點；恒流控制基于電壓負反饋原理控制MOS管的導通時間加以精確的控制。

恒流電子負載主要由恒流控制與功率電路、電壓檢測電路、電流檢測電路、過壓與過流保護電路、控制板電源電路組成，顯示電路主要由128*64LCD組成，承擔各種數量及狀態的顯示功能；按鍵功能輸入電路承擔電路功能設備設定及調節作用。其核心控制器為STM32F107芯片，協調各功能電路的采樣、數據處理、控制輸出及輸入輸出功能。恒流電子負載功能結構如圖1所示。

恒流電子負載功能結構的工作原理為：某被測電源設備安裝調試好后，要對該電源設備的性能進行測試，如電源負載調整率、參數的測定等。此時可在鍵盤中輸入測試范圍，該設定信號由控制器讀入后，產生對應的指令，控制恒流電路，恒流電路將按設定要求輸出信號，驅動功率器件，以特定的時間和速率逐漸導通，使被測電源輸出電流由零至額定值發生變化，被測電源的變化必將引起該電源本身的輸出電壓變化，電壓電流檢查電路檢測到電源負載變化而引起的電壓變化量后，將此電壓變化量送回控制器分析和計算，計算出該電源負載調整率后送顯示電路反饋測試結果，以確定被測電源的性能。

圖1　恒流電子負載功能結構

2　系統硬件電路設計

2.1主電路設計原理

恒流電子負載電路設計原理如圖2所示，其中，VREF為給定信號，Q3為電路的取樣電阻。恒流電子負載電路的工作原理為：當給定電壓VREF時，如果Q3電阻上的電壓小于給定電壓VREF，比較器U1的反相輸入端-IN小于同相輸入端+IN，則比較器U1加大輸出電壓，作為負載的MOS管也加大導通，從而使流過Q3的電流加大。如果Q3電阻上的電壓大于給定電壓VREF，反相輸入端-IN大于同相輸入端+IN，則比較器U1減小輸出，也使作為負載的MOS管減小導通，流過Q3電阻上的電流減小，電路最終維持在恒定的給定值上，從而實現恒流工作的目的。用歐姆定律I=U/R可計算出恒定的電流值，如果給定電壓VREF為4V，Q3為0.1Ω時，則電路恒流為40A。由此可知，只要改變給定電壓VREF的值，即可得到想要的恒流值。本電路的給定電壓VREF根據測試需要由人工設定，通過ADC芯片轉換成數字信號，送MCU控制調節其輸入，實現單片機智能恒流電子負載。

圖2　恒流電子負載電路設計原理

2.2控制板供電源電路設計

由于核心控制器STM32F107等電路需要5V穩定的直流電壓供電，而控制主電路的繼電器等電路需要12V直流電壓供電，因而電子負載控制板設計了12V、5V兩種電源電壓。220V市電經變壓器后降為15V，經橋式整流電容濾波后得到18V直流電壓，此電壓經穩壓得到12V、5V所需電壓。

12V直流穩壓電路以LM2576開關穩壓集成為核心，由輸入電容、輸出電容、輸出電感、續流二極管元件等電路組成，有4個外圍元件，可大大提高電路的穩定性、可靠性，如圖3所示。該穩壓集成包括比較器、放大器、52kHz振蕩器、1.23V基準穩壓電路、過流限制電路、熱關斷電路及內部穩壓電路等。為得到各種穩定的輸出電壓，內部將比較器的負端接基準電壓（1.23V），正端接分壓電路，其中，下分壓電阻通常先用1kΩ（可調-ADJ時開路），上分壓電阻制造時根據不同的輸出電壓，配備不同的分壓電阻值，12V電壓通常選配8.84kΩ電阻。穩壓集成電路的工作原理為：將輸出電壓反方向送回內部分壓電路，經分壓后有電壓同內部基準穩壓值1.23V進行比較，若兩者有偏差，此偏差信號經放大器放大后，控制振蕩器輸出占空比，從而調節輸出電壓保持在設定的穩定值上。

圖3　12V直流穩壓電路

對續流二極管的選取設計，通常要求續流二極管D1的額定電流要大于最大負載電流的1.2倍，考慮負載發生短路的特殊情況，續流二極管D1的額定電流須大于LM2576穩壓集成最大電流的限制，而D1的反向電壓值須大于最大輸入電壓值的1.25倍。本電路取1N5822肖特基二極管。

電感量L1的取值，根據LM2576穩壓集成的輸出穩壓值、最大負載電流值、最大輸入電壓值等參數計算，依據公式計算出電壓·微秒常數（E·T），即：

其中，f為工作振蕩頻率值（52kHz），Vin為最大輸入電壓值，Vout為輸出電壓值。待E·T確定后，可根據E·T和負載電流曲線查找所需的電感。本電路依據計算結果和經驗值取電感量L1的值為100uH。

輸出電容C的取值，依據公式計算，即：

其中，Vin為輸出電壓值，Vout為最大輸入電壓值、L為經計算并查表選出的電感L1的值（uH）。根據計算結果和設計要求，本電路取電容量為1000μF，取電容耐壓值為25V的電容器。

5V直流穩壓電路選用LM7805，將LM2576穩定的12V電壓，經R1降壓到8V左右，作為LM7805三端穩壓集成輸入電壓，經LM7805線性穩壓成5V后，送主板控制器等電路，如圖4所示。

圖4　5V直流穩壓電路

2.3恒流控制與功率電路設計

恒流控制與功率電路主要由基準設置電路、信號反饋電路、比較放大電路和MOS管電路組成；電壓檢測與過壓保護電路，主要由R18、R19分壓取樣電路、U4A和外圍電路組成；電流檢測與過流保護電路，主要由R16電流取樣、U3B和外圍電路組成。恒流控制與功率電路如圖5所示。

圖5　恒流控制與功率電路

實時對電子負載兩端的電壓和電流進行檢測，然后由ADC轉換器轉換后，送控制器STM32F107對檢測的電壓、電流處理，以達到恒流控制與功率電路控制的目的，從而實現電子負載的功能。電壓信號經R18、R19分壓取樣后，經U4A運放和D1、D6組成的放大及電平轉換電路處理的VF電流信號，送ADC轉換器轉換成數字信號，送控制器處理實現電壓測量，如圖6所示。另一路經R16將被測電流信號取出，經U3B運放和D3、D4組成的放大及電平轉換電路處理的IF電流信號，送ADC轉換器轉換成數字信號，送控制器處理實現電流測量，如圖7所示。

圖6　電壓測量電路

圖7　電流測量電路

3　系統軟件設計

軟件程序的功能是計算控制、保護與顯示。由鍵盤設定值和測量反饋值進行比較獲得偏差信號，或由保護采集電路獲得極值信號，將此兩種信號經ADC轉換成數字信號，送控制器STM32F107處理，經該控制器計算比較產生相應的控制信號，再由DAC轉換成模擬控制信號控制相應電路。因此，在軟件控制程序中首先對A/D、液晶顯示、控制變量、D/A進行初始化，而后調用自檢程序，在自檢正常的情況下，調用鍵盤掃描處理程序、測量控制程序、液晶顯示程序，測量控制程序實時地檢測被測電源功率負載回路的電流、電壓值，并進行PID運算，自動調節PWM信號，改變占空比，控制MOS管的導通時間，實現恒流目的。系統軟件程序控制流程如圖8所示。

4　測 試

在電路完成設計、裝接、調試后，為使其性能、精度達到設計要求，采用高精度四通道示波器MS09104A、高精度六位半數字萬用表34401A對系統的恒流精度進行測試，并利用5V標準電源對電子負載性能進行測試。

圖8　系統軟件程序控制流程

測試條件1：恒流（CC）工作模式的電流測試范圍為100mA～1000mA，設置測試步進為100mA，取設定值為100mA、500mA、800mA、1000mA四組代表性數據，在不同時段重復測量4次，測試結果見表1。測試結果表明，電子負載恒流穩定性好，其精度達到±1%，滿足設計要求。

測試條件2：在恒流（CC）工作模式下，外加穩壓電源輸出電壓5V以內變化，在每次穩壓電源輸出電壓等級調整后，設定電子負載的電流測試范圍為0mA～1000mA連續變化，采用高精度四通道示波器MS09104A、高精度六位半數字萬用表34401A測試時，當電子負載兩端電壓變化5V時，測試結果見表2。在此基礎上，為使負載調整率范圍為0.1%～19.9%，在被測穩壓電源和電子負載之間加RW=2Ω至10Ω的20W以上的功率電阻，對穩壓電源及負載調整率進行測試（見圖9），并開啟電子負載的自動測試功能。

表1　100mA～1000mA的測試結果mA

表2　U=5V時的測試結果

圖9　穩壓電源及負載調整率測試

由表2可知，電壓測量顯示誤差在±0.1%以內；負載調整率與理論算出負載調整率[6-7]相符（SR=ΔU/U* 100%），在要求的負載調整率測試范圍內（1%～19.9%），測量精度在±1%以內，滿足了設計要求。

5　結束語

恒流電子負載恒流穩定性好、精度高、負載變化范圍廣、效率高、結構簡單，在實際應用中已能滿足一部分LED驅動器和小功率電源的測試需求，特別在產品研發測試階段能大幅度降低測試的過程，提高產品開發的效率，縮短研發周期，收到很好的效果。當然，恒流電子負載的功能還不夠完善，其精度也有待改善，完成涵蓋CC,CV和CP功能的設計是下一步的研究方向。

[1]李巖，邢紅宏，蘇學軍，等.基于Saber仿真軟件的直流電子負載設計[J].實驗技術與管理，2014(6):106-110.

[2]程云斌，林艷.一種高壓交流電子負載的設計與實現[J].儀表技術，2014(10):35-36，39.

[3]鄧木生，嚴俊，廖無限.基于UC3843PWM控制的恒流電子負載的設計[J].電源技術應用，2010(11):41-44.

[4]陳強，鞠文耀，賈中璐.電能回饋直流電子負載的設計與實現[J].電力電子技術，2011(7）:108-110.

[5]郝勝玉，劉關壯，趙桂青.基于STC12C5A60S2的電子負載的設計[J].工業控制計算機，2014(9):152-153，155.

[6]宋濱.直流電子負載的研究[J].濰坊學院學報，2012(6):39-43，110．

[7]楊永超，譚曉娥，劉曉妤.一種簡易直流電子負載的設計[J].湖北民族學院學報(自然科學版)，2014(2):203-205，221.

[責任編輯：謝樹林]

Design of Constant Current Electronic Load Based on STM32

GU Zhiyang
(Electric and Electronic Engineering Department, Wenzhou Vocational & Technical College, Wenzhou, 325035, China)

To solve the problem that the accuracy difference of electronic load can not reach the constant current or constant pressure, a constant current electronic load was designed with STM32 as control core, integrating set settings, LCD display, voltage detection, current detection, extreme protection and other functions. It is tested that the electronic load has a stable constant currency, high accuracy, large range of load change, high efficiency, simple structure and has practical application value.

STM32; Constant current; Electronic load; Accuracy

V242.2

A

1671-4326(2016)01-0052-04

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2016.013

2015-06-03

谷志陽（1978—），男，浙江永嘉人，溫州職業技術學院電氣電子工程系，高級實驗師，高級技師，碩士.