高精度直流電子負載的設計與實現

鄒家奇

(海軍駐無錫地區軍事代表室,江蘇 無錫 214061)

在電源、電池、充電器等功率類電子產品的測試中,通常需要使用負載來測試產品的帶負載能力[1]。采用電阻、電容、電感及其組合形式來模擬負載占用空間較大，且精度較差、形式單一、其負載大小不能調節[2]。在實際測試中,負載會隨著時間、頻率及外界因素不斷變化,因而靜態負載并不能完全替代實際負載進行測試[3]。直流電子負載是利用大功率半導體器件把進入電子負載的電能轉換成熱能或傳送給電網,它既能模擬恒定電流、恒定電壓和恒定電阻等多種實際負載,也可模擬特殊負載波形,并且因其體積小、功耗低、阻值可調范圍大等優點廣泛應用于電源類產品的穩態特性和瞬態特性及其他功率電子元器件的測試、老化和分析等環節中[4-5]。

隨著電子技術的發展,各類電子類產品指標性能逐漸提高,對電子負載的性能提出了更加嚴格的要求,特別是在恒定電壓和恒定電流方面的技術指標要求越來越高[6]。恒流源一般采用精密并聯型三端可調基準電壓源來替代穩壓管的作用,但因該元件構成的恒流源輸出電流不可調，且數值較小、范圍較窄、精度不高以及與可調電阻呈非線性關系,導致電子負載在電流精細調節和量程擴展方面存在諸多問題,其響應速度較慢、精度不高、動態負載測試功能不完善及其穩定性較差成了電子負載技術中的主要問題[7-9]。針對以上這些問題,通過采用高精度電子器件及合理的電路板布線方法,提出了提高輸出電流精度的設計方法,實現了一款新型的高精度、轉換速度快并且具有過壓保護及自動測量功能的直流電子負載。

1 系統結構

系統主要由恒流源電路、取樣電路及控制電路所組成。控制電路以MSP430單片機為核心,主要進行電壓和電流采樣,并通過與設定參數值對比,得出系統誤差,再通過控制算法找出合適的控制信號。通過控制12 位精密串行輸入數模轉換器DAC7611輸出電壓控制信號,控制信號經過調整后,通過功率管的基極電壓,將其模擬成負載使用。由于DAC的輸出電壓值的大小決定了MODFET功率電路中的負載電流大小,從而達到了對電子負載輸出電流的大小控制。同時處理器還控制雙通道差分16位Σ-Δ型模數轉換器AD7705采集輸出電壓和電流大小,既實現了電子負載恒流工作模式的電流設定以及電壓、電流的測量顯示,又能進行過壓保護和對負載調整率自動的測量。恒流源電路中,處理器輸出的控制電壓信號經誤差放大電路轉換為MOSFET的柵極電壓,實現了驅動該MOSFET管的功能,同時接收反饋信號,進行實時調整輸出電流的目的。取樣電路中檢流電阻采用低溫漂的檢流電阻進行電流檢測,信號經精密低功耗儀器放大器INA128進行信號放大,之后信號與DAC7611的輸出電壓通過誤差放大器AD708進行誤差比較并控制恒流源電路中MOSFET輸出電流。電壓采集采用高精度、低溫漂的電阻進行分壓,然后通過儀表放大器INA128進行跟隨驅動。最后通過AD7705的兩個通道對電壓和電流信號進行測量,并由單片機控制顯示。總體框圖如圖1所示。

2 主要電路與程序設計

2.1 電壓采樣電路

系統的輸出電流精度、測量精度及系統的穩定性主要取決于取樣電阻的精度和漂移,如果使用普通電阻,其溫度漂移大于100ppm,在環境溫度變化和工作狀態不同時,電阻值會產生較大變化,從而影響電流的輸出精度和測量精度[10]。同時在電壓采樣電路中使用普通運算放大器進行信號采集和放大,雖然電路結構和實現方式簡單,當電子負載工作電流達到1A以上時,由于運放放大器本身的性能誤差,其在不同的工作狀態下地回路上將產生較大的電位差,從而影響電流和電壓的測量精度[9]。因此系統需采用高精度、低漂移電阻進行信號采集與增益設置,同時采用高增益、高共模抑制比的儀表放大器INA128對采集的電壓、電流信號進行放大,從而實現較高的精度、穩定度。電壓采樣電路電路圖如圖2所示。圖2中,電阻R1和R2為高精度、低溫漂電阻,其溫度漂移小于10ppm。電路板制作中需注意將R2的接地點與儀表放大器INA128的接地管腳以最短的距離接到電路板的地中,盡可能減小地回路中的電位差。

2.2 電流采樣電路與恒流源電路

恒流源電路中,采用N型MOSFET管作為功率器件,DAC7611與高精度、低溫漂運算放大器AD780組成其驅動電路,根據MOSFET管轉移特性,在恒定的VDS作用下,漏極電流iD將隨著柵源極電壓VGS的變化產生非線性變化,此時VGS與iD的比值相當于一個可變電阻[11]。根據MOSFET管的轉移特性,改變VGS的值就可以調節iD的大小,通過DAC7611輸出電壓給MOSFET管提供一個門觸發電壓,從而實現對輸出電流的精準控制,其電路圖如圖3所示。由于N型MOSFET管是一種壓控型器件,其溫度會隨著流經電流的增大而增大,因此務必要在N型MOSFET管上裝上散熱片[12]。

電流采樣電路中,漏極電流經過采樣電阻R4轉換為相應的采樣電壓,其電阻兩端直接與儀表放大器的同向端和反向端相接。此時應當注意,儀表放大器INA128的輸出端與AD7705的VIN+相接,而其參考端REF必須直接接到AD7705的VIN-端,減小回路走線帶來的誤差。

2.3 程序設計

程序流程圖如圖4所示,處理器可通過掃描鍵盤獲取用戶輸入信息。在輸入完電流設定值后,按確認鍵即可輸出相應電流。如果按下切斷鍵,則恒流電路與輸入電壓斷開,否則只有在電壓超過18V時電路自動切斷輸入電壓。如果按下調整率測量鍵,則電路將在2s內自動完成負載調整率測量,并且輸出結果。

3 性能分析與參數計算

3.1 電流測量計算

由于系統中流經電流采樣電阻較大,因此其阻值越小功耗越小,且在不同工作狀態下引起的電阻漂移越小,電路穩定性越高。基于以上考慮系統選擇0.02Ω/3W的低溫漂檢流電阻,將0～1A的電流轉換為0～0.02V的電壓。由于選擇了雙通道差分16位Σ-Δ型模數轉換器AD7705進行電壓采集,其輸入電壓范圍為0～2.5V,因此將0～0.02V的電壓經過100倍放大,得到0～2V的電壓,在滿足AD輸入范圍的同時,可留有一定的裕量,方便進行軟件調整和補償。

3.2 恒流電路原理

精密放大器AD708將轉換后的電流信號與DAC7611的輸出電壓進行誤差比較,如DAC7611的輸出電壓大于采樣電流信號值,則會引起AD708輸出電壓增加,從而引起輸出電流的增加,最終使得DAC輸出電壓等于電流測量信號,實現了實時精確控制。

3.3 電壓測量計算

如需電子負載具有過壓保護功能,系統設置的保護電壓為18V,則需將電路測量電壓范圍設定為0～20V以上。電壓采樣電路中采用80K和10K的精密電阻組成串聯分壓電路,將輸入電壓轉換為原來的1/9。得到0～2.22V的電壓,在滿足測量范圍的同時也保證了一定的裕量。

3.4 電流設置、電壓采集精度計算與分析

系統電流設置精度為±1%,系統中選用的12 位精密串行輸入數模轉換器DAC7611可輸出0～2V的電壓,該電壓值通過誤差放大器控制MOSFET管可輸出0～1A的電流,并且設置精度可以達到1mA。如需電壓測量精度達到±(0.02%+0.02%FS),其分辨率達到了12位以上,因此使用16位的模數轉換器可以達到高精度的要求。

3.5 負載調整率的測試原理

按照負載調整率的公式,假設空載時的電源電壓為Vnl,額定功率(1A)時的電源電壓為Vfl。負載調整率a=(Vnl-Vfl)/Vfl。所以處理器控制負載電流為0A時,測量空載時的電源電壓,然后控制負載電流為1A,再測量額定功率時的電源電壓,采用上述公式即可測出負載調整率。

4 測試方法與數據分析

電壓、電流測量采用安捷倫6位半萬用表 Agilent34461A。

4.1 電流測試

電源電壓10V,在設置電流的情況下,測量得到實際電流值,測試結果如表1所示。

表1 電流測試

4.2 電流穩定度測試

在設置固定電流的情況下,測量實際電流值在不同的電壓下的變化值,測試結果如表2所示。

表2 不同電壓下輸出電流值

4.3 電壓測試

空載情況下,調整電源電壓,將電子負載測得的電壓與萬用表測試值進行比較,測試結果如表3所示。

表3 電壓測試

4.4 系統自動測試功能

在10V電源電壓下,調整輸出電流,并將系統自身顯示測得的電流值與實際萬用表進行比較,測試結果如表4所示。從表4中可以看到,系統自身測試值與實際測量值誤差小于0.1 mA。

表4 系統自身電流測量與實際值對比

4.5 負載調整率測量

系統的負載調整率測試如表5所示。

表5 負載調整率測量

5 結束語

系統通過采用高精度電子器件及合理的電路板布線方法,提出了提高輸出電流精度的設計方法,實現了高精度、轉換速度快并且具有過壓保護及自動測量功能的直流電子負載。同時系統采用數字處理器對取樣電流進行實時控制,提高了反應速度,達到了較高精度,并且有較好的動態特性和靜態特性。從系統的測試結果分析可以發現,其電流設置范圍為100 mA～1000 mA,設置分辨率小于1 mA,設置精度為±0.01%;在恒定電流的情況下,電壓變化10 V,電流變化小于變化前電流值的±0.01%;電壓測量精度優于±(0.01%+0.01%FS),分辨力小于1 mV。電流測量精度優于±(0.1%+0.1%FS),分辨力小于1 mA;系統還具有負載調整率自動測量功能,測量范圍大于0.1%～19.9%,精度優于±1%。另外,系統能夠在電壓超過18.001 V時斷開電源,實現了過壓保護。