基于STM32的恒流电子负载设计

谷志阳（温州职业技术学院 电气电子工程系，浙江 温州 325035）

基于STM32的恒流电子负载设计

谷志阳
（温州职业技术学院 电气电子工程系，浙江 温州 325035）

为解决负载精度差，无法达到恒流或恒压的问题，以STM32为控制核心，集按键设置、LCD显示、电压检测、电流检测、极端保护等功能为一体，设计一种恒流电子负载。测试结果表明，该电子负载恒流稳定性好、精度高、负载变化范围广、效率高、结构简单，具有一定的实际应用价值。

STM32；恒流；电子负载；精度

0　引 言

在各种电子产品设计及测试过程中，负载是普遍使用的一种配件。在大多数条件下使用者通常采用电阻、电容、电感等或它们的串并联组合作为负载，模拟真实的负载情况进行电源设备的性能试验[1]。这种负载作为测试的配件，精度差，对于如LED驱动器等电源产品的测试无法达到恒流或恒压测试的目的[2]。由于其不可控性，在不同的测试条件下其负载的变化很大而导致测试需要不断地更换负载[3]。电子负载一般采用MOSFET或IGBT管等代替电阻作为能耗体，使得调节和控制易于实现并能达到高精度、高稳定性的要求[4]。在复杂条件下电子负载还可模拟一些特殊的负载波形曲线，测试电源设备的动态和瞬态特性等[5]。

1　系统功能结构

根据实际的小功率LED驱动电源的应用测试要求，本文以STM32为控制核心，设计具有按键调节、LCD显示等功能的恒流电子负载。恒流电子负载可通过检测电源的输出电压和输出电流，将检测结果加以显示；通过自身设定，改变流经负载电流值，测试负载调整率等功能特点；恒流控制基于电压负反馈原理控制MOS管的导通时间加以精确的控制。

恒流电子负载主要由恒流控制与功率电路、电压检测电路、电流检测电路、过压与过流保护电路、控制板电源电路组成，显示电路主要由128*64LCD组成，承担各种数量及状态的显示功能；按键功能输入电路承担电路功能设备设定及调节作用。其核心控制器为STM32F107芯片，协调各功能电路的采样、数据处理、控制输出及输入输出功能。恒流电子负载功能结构如图1所示。

恒流电子负载功能结构的工作原理为：某被测电源设备安装调试好后，要对该电源设备的性能进行测试，如电源负载调整率、参数的测定等。此时可在键盘中输入测试范围，该设定信号由控制器读入后，产生对应的指令，控制恒流电路，恒流电路将按设定要求输出信号，驱动功率器件，以特定的时间和速率逐渐导通，使被测电源输出电流由零至额定值发生变化，被测电源的变化必将引起该电源本身的输出电压变化，电压电流检查电路检测到电源负载变化而引起的电压变化量后，将此电压变化量送回控制器分析和计算，计算出该电源负载调整率后送显示电路反馈测试结果，以确定被测电源的性能。

图1　恒流电子负载功能结构

2　系统硬件电路设计

2.1主电路设计原理

恒流电子负载电路设计原理如图2所示，其中，VREF为给定信号，Q3为电路的取样电阻。恒流电子负载电路的工作原理为：当给定电压VREF时，如果Q3电阻上的电压小于给定电压VREF，比较器U1的反相输入端-IN小于同相输入端+IN，则比较器U1加大输出电压，作为负载的MOS管也加大导通，从而使流过Q3的电流加大。如果Q3电阻上的电压大于给定电压VREF，反相输入端-IN大于同相输入端+IN，则比较器U1减小输出，也使作为负载的MOS管减小导通，流过Q3电阻上的电流减小，电路最终维持在恒定的给定值上，从而实现恒流工作的目的。用欧姆定律I=U/R可计算出恒定的电流值，如果给定电压VREF为4V，Q3为0.1Ω时，则电路恒流为40A。由此可知，只要改变给定电压VREF的值，即可得到想要的恒流值。本电路的给定电压VREF根据测试需要由人工设定，通过ADC芯片转换成数字信号，送MCU控制调节其输入，实现单片机智能恒流电子负载。

图2　恒流电子负载电路设计原理

2.2控制板供电源电路设计

由于核心控制器STM32F107等电路需要5V稳定的直流电压供电，而控制主电路的继电器等电路需要12V直流电压供电，因而电子负载控制板设计了12V、5V两种电源电压。220V市电经变压器后降为15V，经桥式整流电容滤波后得到18V直流电压，此电压经稳压得到12V、5V所需电压。

12V直流稳压电路以LM2576开关稳压集成为核心，由输入电容、输出电容、输出电感、续流二极管元件等电路组成，有4个外围元件，可大大提高电路的稳定性、可靠性，如图3所示。该稳压集成包括比较器、放大器、52kHz振荡器、1.23V基准稳压电路、过流限制电路、热关断电路及内部稳压电路等。为得到各种稳定的输出电压，内部将比较器的负端接基准电压（1.23V），正端接分压电路，其中，下分压电阻通常先用1kΩ（可调-ADJ时开路），上分压电阻制造时根据不同的输出电压，配备不同的分压电阻值，12V电压通常选配8.84kΩ电阻。稳压集成电路的工作原理为：将输出电压反方向送回内部分压电路，经分压后有电压同内部基准稳压值1.23V进行比较，若两者有偏差，此偏差信号经放大器放大后，控制振荡器输出占空比，从而调节输出电压保持在设定的稳定值上。

图3　12V直流稳压电路

对续流二极管的选取设计，通常要求续流二极管D1的额定电流要大于最大负载电流的1.2倍，考虑负载发生短路的特殊情况，续流二极管D1的额定电流须大于LM2576稳压集成最大电流的限制，而D1的反向电压值须大于最大输入电压值的1.25倍。本电路取1N5822肖特基二极管。

电感量L1的取值，根据LM2576稳压集成的输出稳压值、最大负载电流值、最大输入电压值等参数计算，依据公式计算出电压·微秒常数（E·T），即：

其中，f为工作振荡频率值（52kHz），Vin为最大输入电压值，Vout为输出电压值。待E·T确定后，可根据E·T和负载电流曲线查找所需的电感。本电路依据计算结果和经验值取电感量L1的值为100uH。

输出电容C的取值，依据公式计算，即：

其中，Vin为输出电压值，Vout为最大输入电压值、L为经计算并查表选出的电感L1的值（uH）。根据计算结果和设计要求，本电路取电容量为1000μF，取电容耐压值为25V的电容器。

5V直流稳压电路选用LM7805，将LM2576稳定的12V电压，经R1降压到8V左右，作为LM7805三端稳压集成输入电压，经LM7805线性稳压成5V后，送主板控制器等电路，如图4所示。

图4　5V直流稳压电路

2.3恒流控制与功率电路设计

恒流控制与功率电路主要由基准设置电路、信号反馈电路、比较放大电路和MOS管电路组成；电压检测与过压保护电路，主要由R18、R19分压取样电路、U4A和外围电路组成；电流检测与过流保护电路，主要由R16电流取样、U3B和外围电路组成。恒流控制与功率电路如图5所示。

图5　恒流控制与功率电路

实时对电子负载两端的电压和电流进行检测，然后由ADC转换器转换后，送控制器STM32F107对检测的电压、电流处理，以达到恒流控制与功率电路控制的目的，从而实现电子负载的功能。电压信号经R18、R19分压取样后，经U4A运放和D1、D6组成的放大及电平转换电路处理的VF电流信号，送ADC转换器转换成数字信号，送控制器处理实现电压测量，如图6所示。另一路经R16将被测电流信号取出，经U3B运放和D3、D4组成的放大及电平转换电路处理的IF电流信号，送ADC转换器转换成数字信号，送控制器处理实现电流测量，如图7所示。

图6　电压测量电路

图7　电流测量电路

3　系统软件设计

软件程序的功能是计算控制、保护与显示。由键盘设定值和测量反馈值进行比较获得偏差信号，或由保护采集电路获得极值信号，将此两种信号经ADC转换成数字信号，送控制器STM32F107处理，经该控制器计算比较产生相应的控制信号，再由DAC转换成模拟控制信号控制相应电路。因此，在软件控制程序中首先对A/D、液晶显示、控制变量、D/A进行初始化，而后调用自检程序，在自检正常的情况下，调用键盘扫描处理程序、测量控制程序、液晶显示程序，测量控制程序实时地检测被测电源功率负载回路的电流、电压值，并进行PID运算，自动调节PWM信号，改变占空比，控制MOS管的导通时间，实现恒流目的。系统软件程序控制流程如图8所示。

4　测 试

在电路完成设计、装接、调试后，为使其性能、精度达到设计要求，采用高精度四通道示波器MS09104A、高精度六位半数字万用表34401A对系统的恒流精度进行测试，并利用5V标准电源对电子负载性能进行测试。

图8　系统软件程序控制流程

测试条件1：恒流（CC）工作模式的电流测试范围为100mA～1000mA，设置测试步进为100mA，取设定值为100mA、500mA、800mA、1000mA四组代表性数据，在不同时段重复测量4次，测试结果见表1。测试结果表明，电子负载恒流稳定性好，其精度达到±1%，满足设计要求。

测试条件2：在恒流（CC）工作模式下，外加稳压电源输出电压5V以内变化，在每次稳压电源输出电压等级调整后，设定电子负载的电流测试范围为0mA～1000mA连续变化，采用高精度四通道示波器MS09104A、高精度六位半数字万用表34401A测试时，当电子负载两端电压变化5V时，测试结果见表2。在此基础上，为使负载调整率范围为0.1%～19.9%，在被测稳压电源和电子负载之间加RW=2Ω至10Ω的20W以上的功率电阻，对稳压电源及负载调整率进行测试（见图9），并开启电子负载的自动测试功能。

表1　100mA～1000mA的测试结果mA

表2　U=5V时的测试结果

图9　稳压电源及负载调整率测试

由表2可知，电压测量显示误差在±0.1%以内；负载调整率与理论算出负载调整率[6-7]相符（SR=ΔU/U* 100%），在要求的负载调整率测试范围内（1%～19.9%），测量精度在±1%以内，满足了设计要求。

5　结束语

恒流电子负载恒流稳定性好、精度高、负载变化范围广、效率高、结构简单，在实际应用中已能满足一部分LED驱动器和小功率电源的测试需求，特别在产品研发测试阶段能大幅度降低测试的过程，提高产品开发的效率，缩短研发周期，收到很好的效果。当然，恒流电子负载的功能还不够完善，其精度也有待改善，完成涵盖CC,CV和CP功能的设计是下一步的研究方向。

[1]李岩，邢红宏，苏学军，等.基于Saber仿真软件的直流电子负载设计[J].实验技术与管理，2014(6):106-110.

[2]程云斌，林艳.一种高压交流电子负载的设计与实现[J].仪表技术，2014(10):35-36，39.

[3]邓木生，严俊，廖无限.基于UC3843PWM控制的恒流电子负载的设计[J].电源技术应用，2010(11):41-44.

[4]陈强，鞠文耀，贾中璐.电能回馈直流电子负载的设计与实现[J].电力电子技术，2011(7）:108-110.

[5]郝胜玉，刘关壮，赵桂青.基于STC12C5A60S2的电子负载的设计[J].工业控制计算机，2014(9):152-153，155.

[6]宋滨.直流电子负载的研究[J].潍坊学院学报，2012(6):39-43，110．

[7]杨永超，谭晓娥，刘晓妤.一种简易直流电子负载的设计[J].湖北民族学院学报(自然科学版)，2014(2):203-205，221.

[责任编辑：谢树林]

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

谷志阳（1978—），男，浙江永嘉人，温州职业技术学院电气电子工程系，高级实验师，高级技师，硕士.