电工实验室恒流电子负载设计与实现

谢 莉，蒋 伟，吴 松，阚世奇

(扬州大学 能源与动力工程学院，江苏 扬州 225127)

恒流电子负载是电类实验教学必需的设备。实验教学要求：电子负载应该能实现电流和电压调整，保证相应情况下电流和电压的稳定，能很好地实现参数调整和显示，以适应各种实验项目和实验内容的需要[1]；具有完备的保护功能，在发生短路或过载时不损坏电源和电路；成本低、损坏率低、维修简便。

由于电路理论、电子技术和电工学等实验教学具有学生人数多、仪器设备使用率高、学生操作不熟练等特点，学生操作不当经常会造成电源输出端短路和过载，导致电源损坏，影响实验的进行。为了满足上述要求以及提高电工实验室的利用效率，系统采用了模拟器件为控制核心、单片机为人机接口控制器的模数混合控制方案，设计了最大工作电压和电流分别为18 V、1 A可调恒流电子负载[2]。

1 电子负载系统方案设计

1.1 电子负载方案论证

电子负载按能量吸收方式可以分为能耗式与回馈式，按照控制形式可以分为开关式与线性式。由于回馈式电子负载多用于大功率场合，且控制方式复杂、成本高，故不在考虑之列[3-5]。

分别针对能耗式电子负载不同设计方案中主电路的元件数量、对被测电路的影响、系统控制特性等进行了比较，如表1所示。开关型电子负载的主要问题在于：(1)无源器件数量多，影响到系统的可靠性；(2)开关纹波导致负载电流纹波且引入噪声；(3)高阶系统，响应慢。线性负载工作于MOSFET器件的饱和区，无开关纹波，而且控制对象在小信号意义上是零阶系统，利于控制系统设计。

表1 能耗式负载性能比较

综上所述，以MOSFET为负载进行线性调节，可以模拟理想恒流负载工作状态，且是一种可靠性高、成本低的方案。

1.2 电子负载系统设计

电子负载系统由功率级模块、本地控制器模块、系统控制器模块、辅助电源模块、人机接口模块组成，如图1所示。

图1 基于线性MOSFET的模数混合方案

功率器件采用IXYS公司的IXTA-TP80N10T，该器件安全工作区(SOA)宽，可以满足最大18 V、1 A负载条件，且额定电流大，在误操作情况下不易烧坏。考虑到电路杂散电感的影响，在MOSFET的漏极和源极并入1 μF的薄膜电容用以吸收器件两端可能出现的尖峰电压。

选取了2片德州仪器的LM324(模拟控制器内)集成运放实现本地控制功能。一片LM324完成采样电流放大、滤波、电流误差放大功能；另外一片运放完成负载电压采样、滤波、电压误差放大功能，并通过外部电路进行过压的甄别。

由于系统需要进行恒流值设定和实现，且无需高速数字运算，所以使用了主频为8 MHz的MSP430F169。这款单片机的数字I/O高达48个，同时拥有丰富的外设，适合与多种设备进行接口，也便于本设计的进一步扩展[6]。

键盘模块的方案采用智能便携设备中的功能键的思路，采用最少按键实现：分别为“参考值上调”、“参考值下调”、“开/关”键。同时，通过MSP430F169的P1端口将数据传给液晶显示屏显示当前负载电流和电压。另外，系统中加入了LED显示，分别显示辅助电源供电正常(蓝光)、系统启动(蓝光)和过压显示(红光)。

系统的辅助电源需要为运算放大器、单片机、显示屏、指示灯供电，需要提供+15 V，+5 V，+3.3 V电压等级，设计中使用实验室常用的线性电源进行24 V直流供电，采用线性调压模块进行逐级降压获得各电压等级。

2 电子负载控制设计与实现

2.1 本地控制器设计

本地控制目标为带过压保护的恒流。先对恒流模式进行设计，负载电流经过采样电阻、正比例放大环节、滤波，与给定参考值进行比较后经过一个3极点2零点的PI调节器，输出一个稳态值作为MOSFET的门控电压，从而得到稳定的负载电流。

设计要求系统能够跟踪给定值且静差为零，所以需要对负反馈控制系统进行分析。根据MOSFET数据表中的输入特性曲线，可以得到恒流控制下的MOSFET模型为一个比例环节，为零阶系统；考虑到MOSFET栅极驱动电阻Rg和栅源极寄生电容Cgs，输入电压对负载电流的传递函数G(s)为截止频率很高的一阶系统，如下式所示：

(1)

式中，k1为MOSFET的静态传递系数。

电流反馈由电阻采样，回路传递函数H(s)为

(2)

式中，Rs为采样电阻，k2为运放电器增益，R14、C3为一阶RC滤波器的电阻和电容。

PI调节器传递函数C(s)为

运放电路中的R和C配置相应的零极点。

利用Matlab进行控制系统设计[7-8]，得到如图2所示的系统开环传递函数波特图。

图2 系统传递函数波特图

由图2可知，系统幅值裕量为-30 dB，相位裕量约为-90°，穿越频率为6 kHz，满足零稳态误差和系统快速性的要求[9-10]。

电压控制的目的是保护系统，故对其控制系统的要求不高，系统采用了单极点、单零点的PI调节器。采样电压经过跟随器、PI调节器输出作为MOSFET管的门极输入，当采样电压大于18 V时，经PI调节改变MOSFET驱动电压，从而实现过压保护。

电压和电流控制回路的整合方式如图3所示，根据谁低谁输出的原则，可以限制恒压的上限为18 V，18 V以下为任意恒流控制。

图3 带有过压保护的恒流模式选择电路

2.2 人机接口程序设计

系统流程图如图4和图5所示，主程序中完成系统的初始化、键盘检测、显示。利用定时器产生100 ms的中断，在定时器中断中启动AD转换[11-12]，AD中断中取得寄存器中的电压电流值，并进行移动窗滤波，结果存放在指定变量中待显示子程序使用。

图4 主程序流程图

图5 中断程序流程图

2.3 系统样机及实验结果分析

系统样机如图6所示，系统结构模块化，接线简单，易于实验室日常维护。经测试，系统可以以10 mA的步长进行0～1 A的负载电流控制，负载电流稳态误差小于1%，纹波小于0.5%。

图6 电子负载样机

3 结束语

系统设计了以低成本模拟电路为控制核心，以MSP430F169单片机为人机接口控制器的恒流电子负载，实现了电子负载的电流精确可控和过压保护，很好地实现了系统参数设置和显示，满足了电工实验室常规实验的要求。

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