简易直流电子负载的设计分析

张志雄

摘  要：文章描述的电子负载由MSP430单片机、D/A转换器、恒流源调整电路、电压取样放大电路、A/D转换器、液晶显示等部分组成。采用了12位的TLV5618芯片，并且单片机通过它来控制恒流源的输出。恒流源部分中，采用了大功率场效应管IRF640，更易于实现电压线性控制电流。在取样电路中，通过对取样电阻两端的电压进行放大之后送至A/D转换电路，单片机通过它得到相应电压值，进而算得流过负载的电流，整个设计简单、可靠。

关键词：直流电子负载;恒流源;模数转换;软件开发

中图分类号：TN722.77     文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2016）03-0083-02

随着现代技术的发展，恒定电流源的应用将十分重要。恒流源是可以稳定提供某种电流的电流源，在电子设计中得到了广泛应用，且在很多单元电路中都是不可缺少的。本设计要求我们自制一个范围为100 ～1 000 mA数控恒流源，它可以通过按键进行100 mA的步进，而且精度为±1%，要求本系统可以实时测量并显示负载两端的电压（精度为±（0.1%+0.1%FS））和流过负载的电流（精度为±（0.2%+0.2%FS））。设计需要制作恒压源，且恒压输出值为5 V，误差为小于2%，设定最小输出电流为1 A，纹波值与噪声值小于20 mV。并用数控恒流源来测量自制电源的负载调整率。

1  方案设计与论证

1.1  稳流源设计

1.1.1  三种设计方案

方案一：采用具有稳流作用的二级管或三级管，虽然稳流精度较高，但电流的稳定范围受到很大的限制，通常只有数十毫安，达不到设计要求。

方案二：采用线性可控稳流源。此方法需要调整不断调整外围电阻值的大小，实现连续可调的功能，且能够实现1～          3 000 mA的电流输出。我们通常采用两种方法来调整输出电流：可以采用调整可调电阻来不断调整输出电流，但此法不能实现数字连续可调的要求;也可以采用数字电位器来调整电阻值，此法固然可以满足设计要求，但该器件的电阻步进值偏大，很难满足对输出电流的线性调整。

 方案三：使用电压控制电流源电路。依靠调整稳流源的供电电压，利用改变输入电压值来调整电流的输出值压控恒流源利用MSP430给出调节量，经数/模转换变为模拟信号，后经大功率场效应管进行电流放大。单片机对输出电流进行连续地、实时的跟踪，利用单片机作为输出反馈环节，由单片机调节功率管进行恒流输出。

即便负责发生变化，输出电流几乎保持不变，如此以来，靠着简单的电流闭环反馈系统就可以实现输出电流值与设定值保持一致。

1.1.2  方案选择

方案一虽精度高，但是恒流范围小;方案二步进调节不便，且调节精度不高;方案三利用数字调控来保证恒流源性质的电流输出，不仅实现了设计功能，还简化了系统的操作，故此方案最佳。

1.2  电流源电路

方案一：采用开关稳压电源，其输出电流大，能满足输出1A电流的要求，其外围元器件较少，但是其纹波较大，不太好滤除。

方案二：采用三端线性稳压电源，其有结构简单、性能优良、调试方便、价格便宜等显著优点，而且能提供的最大电流可达到1 A，重要的是它的纹波较小，可以实现输出纹波<20 mV。

方案选择：根据上述比较，我们采用方案二。

2  系统总体设计

2.1  系统框图

 本系统由MSP430单片机、D/A转换器、恒流源调整电路、电压取样放大电路、A/D转换器、液晶显示等部分组成，系统框图，如图1所示。

2.2  单元电路设计

2.2.1  VCCS的设计

 压控电流源是整个电路的重要组成环节，其主要功能是用输入电压对输出电流进行连续调控，在此设计中，指标对于输出电流的范围和控制精度有较高的要求，因此设计好压控恒流源电路是一项很重要的工作。单元电路图，如图2所示。该VCCS电路由集成运算放大器、大功率MOSFET-Q1、取样电阻元件R3、输出调整电阻R1等构成。

对于单元模块中的调整管，我们选用大功率MOSFET-IRF

640。之所以选用MOSFENT，目的是便于实现输入电压对输出电流的线性调节，既可以实现对最大输出电流值2 A的设计指标的要求，更能够很好地达到利用输入电压对输出电流的连续地、线性的调节。

在此电路中，场效应管是工作在饱和状态去的，其漏极漏电流Id非常接近由栅源极电压Ugs进行控制的输出电流值。也就是说，当UD为定值时，我们有：

ID=f（UGs），

只要UGs不变，Id可以保持恒定。

 在这个电路模块中，R3为采样元件，利用多股康铜丝为材料（因为康铜丝的阻值的温度系数很小），大小为0.1 ？赘。同时，利用把仪用运算放大器OPA340设计成电压跟随器电路，由于Ui=Up=Un，MOSFET的Id=Is（栅极电流太小，可以忽略不计）， 故有：

Io=Is=Un/R3= Ui/R3

这样以来，我们就实现了利用输入电压UI对输出电流Io进行调节，即输出电流不因负载电阻的改变而改变，最终实现电压控制恒流源的目的。

2.2.2  输出电流取样电路

 输出电流取样电路图，如图3所示。

设计要求测量恒流源的电流输出值，我们选择输出回路中接入取样电阻，将输出电流转变为输出电压值的方法来获得电流输出值的测量。为减少对负载电路的影响，选取的采样电阻值应尽可能的小，实际中我们选用的阻值为0.1。由于采样电阻很小，因而其两端的电压也很小，不能直接将其电压送入A/D芯片中，我们需要先进行放大。在放大部分，我们选用了TI公司的OPA340，其为一款仪用放大器，可以对微小的信号进行精密放大，且具有很高的共模抑制比，能满足设计的要求。

3  软件设计

软件设计在基于VCC开发平台上采用C语言开发，很多功能都做成了子程序文件，供主函数调用，其难点在于功能按键的分支流程设计。在开发及调试的过程中，我们遇到很多的问题，如不能及时响应按键触发的事件，电流采集值与显示值不准等问题。经过团队的判断与分析，我们觉得是某些参数的设置出现了不当。当我们更改参数后，几乎没有调整其他程序代码，就可以实现设计要求的参数指标了。当然，合适的算法和正确的编程思路也是功不可没的。

4  结  语

 在本系统完成设计后的测量过程中，测量电流值不停跳变，我们分析原因，使用的5 V稳压电源不够稳定，导致其提供给A/D和D/A芯片的参考电压不稳定，进而导致测量的电流不稳定，后来我们使用电压基准源为A/D和D/A芯片提供参考电压，问题得到解决。由此可见，在电子产品的设计中，方案论证和计算很重要，它是设计成功的重要保证，同时也不能忽视后期的调试工作，往往调试比设计会带来更多的问题，有待我们经过分析后再不断地改进设计。

参考文献：

[1] 韦建英，徐安静.模拟电子技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2010.

[2] 秦龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲[M].北京：电子工   业出版社， 2007.

[3] 黄根春，周立青，张望先.全国大学生电子设计竞赛教程——基于TI器   件设计方法编[M].北京：电子工业出版社，2011.