一种简易直流电子负载硬件设计

张 震，赵立伟

(中国卫星海上测控部远望5号船，江苏 江阴 214431)

0 引言

电力电子技术的快速发展加速了电气设备的改革，使各种新型电器设备广泛应用于各个领域。在工业生产和我们平时的生活中都会用到多种多样的负载来测试电源性能，不同的电源要对其输出电压电流进行整定调试，只有通过负载测试才能保证电器设备的可靠性[1]。在这些测试中都会用到负载，负载的主要作用是用于吸收或者消耗掉能量，但这种负载包含了各种不同的要求，有的负载需要电阻恒定，有的负载需要电压恒定等，在这种情况下就需要一种可以满足多种要求的负载来支持设备的测试。

1 直流电子负载的实现方案与设计方向

在电流恒定的模式中，不管待测电源如何变化，直流负载都以恒定的值吸收电流。这种工作模式经常被用于测试电源的负载调整率以及电池的恒流充放电，所谓的负载调整率就是当负载变化时输出稳定电压的能力。

1.1 直流电子负载的结构

直流电子负载测试的基本原理是通过PWM控制[2]MOS管的开关时间使得电路中的电流发生改变而实现的。

通过对于上述直流电子负载结构的参考和总结，本设计可以分为多种模块组合而成的电子电路，主要工作模块有以下几个部分：实现控制的单片机80C51模块；显示设定值与测定值的LCD显示模块；输入设定值的键盘输入模块；使设定值转化成模拟量的D/A转换模块；将检测值转化为数字量的A/D转换模块；经MOS管消耗功率的功率模块。

表1 直流电子负载的结构

1.2 直流电子负载的总体结构框图

直流电子负载的总体结构[3]如图1所示，由图可知本设计的核心部分是单片机控制模块，它起着中流砥柱的作用，由它将所有的模块连接在一起实现我们所需要的电子负载功能。

图1 总体结构框图

2 直流电子负载系统的硬件设计

2.1 电流恒定的工作模式

如图2所示，为恒流工作模式[4]的基本电路图，此图的工作原理是：DA(DA由单片机数模转换模块输出)经过电阻R1和R2的分压变为电压U1，加至电压比较器的同相端，R3上的电流为I，I=U0/R3加至电压比较器的反向端形成反馈调节。在电路处于稳态的状态下，当I增加的时候U0增加使得U1-U0<0,从而使得驱动信号PWM波的占空比减小，导致MOS管的关断时间延长，电流I减小；当I减小的时候U0减小使得U1-U0>0,从而使得驱动信号PWM波的占空比增加，导致MOS管的关断时间缩短，电流I增加；只有当U0与U1相等时电路恢复稳态，并且因为U1不变，U1=U0，I=UO/R3，所以I保持不变，从而实现电流稳定。检测过程中需要注意的是IRF540的最大承受电压为100V，考虑到留有裕量所以VCC2的值不能大于90V。

图2 恒流工作模式

2.2 单片机控制电路设计

本设计选用的控制系统芯片为80C51单片机。下面我们以51单片机的内部结构为基础展开设计。

51单片机的最小系统包含了：电源模块、复位电路、震荡电路。

电源模块：一个稳定的电源供给是单片机实现稳定运行的良好保障，因此电源稳压模块的设计至关重要。

复位电路：复位电路的功能就是能将单片机恢复初始化。一般单片机的复位方式分为两种：按键复位和上电复位。

振荡电路：振荡电路的参数设置受到单片机芯片的限制，不同的单片机最大晶振频率不同，运行的速度也不一样。晶振越快，运行时速度也越快。

2.3 键盘模块

键盘的基本连接方式有两种，矩阵式键盘和非矩阵式键盘。键盘的基本实现方式也有两种，按键中断以及按键扫描。

我们采用矩阵键盘的连接方式和键盘扫描的实现方式，这样选择的优点在于可以用最少的I/O口实现最多的按键功能，也可以减少中断资源的占用。

本设计采用的是4×4矩阵键盘[5]作为数字输入端，如图3所示。

图3 4×4矩阵键盘

其运行方式为：P14-P17作为键盘的行线被系统扫描，P10-P13作为键盘的列线被系统扫描。

2.4 显示模块

本设计经比较选用了LCD显示方式，其优势在于显示的亮度强，稳定性好，显示的信息种类远远多于数码管，占用的I/O口也比数码管显示方式要少。

2.5 A/D转换模块与D/A转换模块

本设计选用ADC0804芯片完成模数转换，该芯片满足本设计的基本要求。在本设计中ADC0804的连接方式如图4所示，芯片的工作状态受单片机的控制，即由单片机控制I/O口输出高电平或者低电平(CS=P3^4;RD=P3^7；WR=P3^6;)使得芯片启动或者停止。

图4 ADC0804芯片

本设计选用DAC0832芯片完成数模转换，连接方式如图5所示。DAC0832具有三种工作方式：直通、单缓冲、双缓冲。我们选择单缓冲工作方式，采用这种工作方式时输入寄存器工作在受控状态下，DAC寄存器在直通状态下工作，这样可以简化芯片的输出控制程序和外部接线。

图5 DAC0832芯片

DAC0832芯片的工作状态受单片机的控制，即由单片机控制I/O口输出高电平或者低电平从而控制芯片的数据写入。DAC0832在电子负载中起到了一个输出模拟信号的作用，具体来说使输出一个基准的电压值，对于电流恒定的模型来说，这个基准电压值通过电压比较器和MOS管的源极电压比较从而控制MOS管的开关时间，最终达到近似相等，又因为源极电压是源极电流经采样电阻而得到的，所以达到了控制源极电流的目的。

2.6 场效应管MOSFET

本设计通过查阅文献资料总结了三种适合直流电子负载的MOS管，如表2所示。

表2 不同MOS管的比较

通过上表的总结本设计选用IRF540场效应管，本设计的电流范围是0A～10A,最大功率为100W，该管的最大承受电压是100V，最大漏极电流为28A，满足设计的要求并且留有足够的裕量。

3 硬件总体结构图

硬件总体结构图如图6所示。

图6 硬件总体结构图

4 结束语

本文针对设计目标，选择合适电子元器件，做了一种简易直流电子负载的硬件设计，在工程应用方面，需要继续深入研究和试验验证。在硬件设计方面还可以在采样电路、增加能量反馈模块、增加功率消耗模块等方面均有很多值得探索的技术，需不断进行完善，进一步丰富直流电子负载的功能。