一种电源智能测试仪的设计与实现

叶敦范，刘 鑫，李亚敏，张梦炎

(中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院，湖北 武汉 430074)

随着电源产品使用的日益广泛，电源产品的性能好坏成为消费者更为关注的事情。为确保质量，从国际到国内，都制定了一系列的电源标准来衡量电源产品的质量，每批电源产品的出厂，都要经过严格的老化测试和带载测试。传统的测试方法中一般都采用电阻、滑线变阻器、电阻箱等静态负载充当测试负载，但这些负载已经不能满足我们对负载多方面的要求，电子负载就是在实际应用中负载比较复杂的情况下而设计生产的测试设备。它能替代传统的负载，尤其对吸收恒定电流或以恒定电压吸收电流，或电压电流都要在设定范围突变等传统方法不能解决的领域里，更能显示出优越性能[1]。

鉴于以上这些因素，设计出了一套能快速检测电源参数的新型LED液晶显示器驱动电源智能测试仪，该设备主要包括四路电子负载，电源控制主板和上位机智能测试系统。四路电子负载板以PIC16F877A控制核心，实现了设定电流、测电压、测电流、实时接收上位机指令传送采样数据等工作模式，并采用液晶屏显示被测电压，恒定电流值。电源控制板采用PIC16F877A控制核心，通过接收上位机的控制指令，控制被测LED液晶显示器驱动电源的供电开关、PSON信号、BKON信号和ADJ信号。同时测试电源板的 V_SEN1、I_SEN、V_SEN2和开关频率信号并发给上位机。上位机智能测试系统通过采用ADM2483芯片搭建的RS485总线对四路电子负载和控制主板进行控制，对下位机传送过来的采样数据进行处理，从而对LED液晶显示器驱动电源的性能做出判断。

1 智能测试仪总体设计

智能测试仪采用PIC16F877A处理器，通过485串口通信总线接收上位机命令，实现电源恒定电流设置和电源在 OPEN、PSON、BKON、ADJ、负载短路、短路恢复等各个状态的测试。测试通过内部A/D、CCP等模块采集电源输出电压、电流、I_SEN、V_SEN1、V_SEN2、频率等信息，并通过485总线发给上位机实时判断。系统总体框图如图1所示。

本设计整个系统分为3个层次：上位机、控制主板、电子负载。系统结构层次划分如下：

图1 系统总体框图

(1)上位机：含有电源所有参数信息，初始化设置中设置恒定电流和供电方式。测试过程首先给控制板发送测试状态，控制板响应后，上位机发送各个模块的反数据指令。

(2)控制主板：控制被测电源的测试状态，包括：断电、供电方式选择，OPEN测试、PSON测试、BKON ADJ=0测试、BKON ADJ=5测试。同时能够将被测电源板的V_SEN1、I_SEN、V_SEN2和开关频率分别通过 A/D模块和CCP模块测试出发给上位机。

(3)电子负载：通过单片机输出不同占空比的PWM波形，控制MOS管的导通和关断时间，调节流过场效应管的电流，控制电源板的恒定电流大小，并实时监测电源板电压变化。同时能响应上位机恒流大小设置，短路和短路恢复命令并将各个测试状态下的被测电源的电压、电流发送给上位机[2]。电子负载结构示意图如图2所示。

图2 电子负载结构示意图

2 硬件系统设计

2.1 智能测试仪控制电路设计

电子负载系统和控制板系统的核心控制器选用Microchip公司的PIC16F877A单片机。PIC16F877A单片机在电子负载系统中主要实现以下功能：通过两位拨码开关实时判断负载类型、占空比可调节的PWM控制信号输出、实际电压A/D采集、电流A/D采集、LCD显示、485串口通信、键盘输入等。

PIC16F877A单片机在控制板系统中主要实现：供电方式选择、开电源、开 PSON、开 BKON、开 ADJ、电源板上V_SEN1电压A/D采集、I_SEN电流A/D采集、V_SEN2电压A/D采集和开关频率采集，以及485串口通信等。

2.2 恒流电路设计

恒流电路采用场效应管式恒流源，场效应晶体管(MOSFET)工作在不饱和区时，漏极与源极之间的伏安特性可以看作是一个受栅-源电压控制的可变电阻。用MOSFET作可变电阻具有工作速度快，可靠性高和控制灵敏等优点，而且既无机械触点，也无运动部件，噪声低，寿命长。但是MOSFET的通态电阻较大，且负载电流较小。所以MOSFET适合模拟一些变化速度较快，但电流不大的实际负载。此外，MOS型晶体管特别适合于开关状态工作，因为它正向导通时的电阻极小，而且开关速度快，所以是一种理想的开关元件，这也正是电子负载使用场效应管式恒流源的原因[3]。根据系统的设计参数，取一定裕量，并考虑到实验过程中的不定因素，决定选用N沟道增强型场效应管IRFP450。IRFP450的漏源极击穿电压VDS=500 V，最大漏源极连续导通电流为ID=14 A，静态导通电阻 RDS(on)=0.400 Ω。

图 3为 IRFP450输出特性曲线图[4]，在 4 V≤VGS≤5.3 V之间，满足 0 A≤ID≤14 A,且当 VDS大于一定值时，ID的大小只随VGS而变化，VGS不变则ID基本保持不变，这就基本满足了恒流的条件，再加上ID负反馈调节VGS大小，能够达到恒流的功能。当其通过较大电流时，MOSFET管上的功率较大，发热很厉害，所以需要加上大散热片，采用空气冷却方式解决大电流经过MOS管所导致的温升[5]。

图3 IRFP450输出特性曲线

2.3 采样电路设计

A/D是检测和测量环节的重要技术手段，为了让负载准确工作，设计中对被测电源的输出电压、MOS管的电流、电源板I_SEN、V_SEN1和V_SEN2进行了实时采样。采样A/D选用PIC16F877A内部10位精度的逐次逼近型 A/D，采样精度可达 5 V/1 024≈0.005 V，满足设计需求，简化了电路设计。

对电源输出电压测试中，电压采样电路要实现对0～250 V电压采样，则必须对输入电压进行分压、选档。分压一般采用电阻分压，使其最大输入电压小于5 V；选档提高采样电压精确度。考虑了模拟电子开关和继电器选档。CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有3个二进制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。这3 bit二进制信号可以选通1～8通道的打开和关闭，也可连接该输入端至输出。但CMOS模拟开关并不像继电器那样可以用在大电流、高电压场合，只适于处理幅度不超过其工作电压、电流较小的模拟或数字信号，且必须共地，加光耦电路。因此采用继电器控制选档的减法运算电路。

3 软件系统设计

3.1 软件总体框架和设计思想

下位机软件总体流程如图4所示，整个下位机为一个实时系统，采用轮询的思想，对各个功能模块轮流查询,分时处理。其中指令的接收通过串口接收中断服务程序实现，以及时响应上位机的请求。

3.2 时序控制

图4 下位机软件总体流程

图5 时序控制流程图

时序控制流程如图5所示，各计数器的基准时间由定时器0产生，定时器每500 μs产生一次中断作为基准时间，在中断服务程序中对各计数器加1。在时序控制程序中，当A/D计数器计数到9，清零A/D计数器，并置A/D采样标志，即每4.5 ms进行一次A/D采样；当KEY计数器计数到19，清零KEY计数器，并置KEY扫描标志，即每9.5 ms进行一次按键扫描；当LOAD计数器计数到39，清零LOAD计数器，并置LOAD扫描标志，即每19.5 ms进行一次负载编号扫描;当LCD计数器计数到80,清零LCD计数器，并置LCD刷新标志,即每40 ms进行一次液晶显示刷新。

3.3 通信程序设计

在下位机软件设计中，首先需要进行通信协议的设计，进行通信信息帧结构的设计，异步串行通信以帧为单位，即每次传送一个数据帧。PIC16F877A通过设置寄存器SPBRG设置串口波特率，设置RCSTA来设置串口的工作模式。单片机的数据发送和接收分别由数据发送单元和数据接收单元来完成的，发送为查询方式，当检查到数据寄存器为空时，把要写入的数据发送，同时恢复串口为接收模式，接收以中断方式[6]。

数据发送单元：单片机首先通过将数据写入串口数据寄存器TXREG启动发送过程，然后再控制逻辑的控制作用下将一位时钟脉冲加载到移位寄存器，然后依次将起始位、数据位、奇偶校验位和停止位传送至TXD端口。在一帧数据传输完成后，若又有数据写入串口数据寄存器，则该数据立即装入到移位寄存器(TSR)中，TXIF立即置1，当发送字节数据完成后，TXIF标志位在下一个周期清零。图6所示为下位机通信软件流程。

图6 下位机通信软件流程

3.4 上位机程序设计

系统上位机以VC为开发工具，上位机主要是用于控制下位机完成电源板的各项测试，并显示测试数据，分析测试数据和保存测试数据。上位机通过属性列表完成对电源参数预值的加载和测试步骤、负载的选择。

整个测试过程中，上位机将统计被测电源总数，被测电源合格率。同时配有监视串口实时观察测试信息。

图7 测试结果

4 测试结果

在系统测试中，主要通过上位机界面进行控制、设定、结果判断，也可通过负载面板设定电流值和进行短路测试及短路恢复测试。通过上位机进行系统测试，首先加载电源型号的测试参数，需要修改测试参数时通过测试设置完成，然后初始化设置电流，监视窗口接收到负载设置恒流成功的指令后，点击“Start”或者按下空格键开始测试，界面会根据下位机返回的测试数据进行判断，弹出相应的提示窗口。测试结果如图7所示。

[1]李卫华，谢珩.关于电子模拟负载研究现状的探讨[J].新余高专学报，2005，10(2)：47-49.

[2]刘志刚，和敬涵.基于电流型PWM整流器的电子模拟负载系统研究[J].电工技术学报，2004，19(6)：74-77.

[3]杨长安，王蔚，赵亮,等.基于反馈控制的恒流型电子负载的实验研究[J].现代电子技术，2006(14)：127-128

[4]潘诗峰，赵健峰，王浔.大功率交流电子负载的研究[J].电力电子技术，2006,40(1)：97-100.

[5]王超，刘志刚，沈茂盛.模块化电子模拟功率负载系统的设计[J].电气应用，2005,25(9)：54-57.

[6]罗翼.PIC单片机应用系统开发典型实例[M].北京：中国电力出版社，2005.