基于 DSP 的電子負載----電子負載系統(tǒng)設(shè)計方案

2.4電子負載系統(tǒng)設(shè)計方案

2.4.1直流電子負載的原理

穩(wěn)態(tài)下，直流電源只有阻性負荷，動態(tài)下阻感性負荷如下圖1.5中a所示，阻容負載如下圖2.9中的b所示，設(shè)被測試電源的輸出電壓為Udc，方框內(nèi)是等效的模擬阻感負載和阻容負載的負載單元。

Figure 2.9 equivalent circuit上圖為外接電源帶阻感或阻容負載時的電路圖，由圖可以得到他們的電路方程為：

求解方程式，則得：

由上式可知，負載單元里的負載電流I_RL或I_R是按照上式2.3和2.4來變化的，根據(jù)負載電流變化的規(guī)律，可分為模擬恒流模式，模擬恒阻模式，模擬恒壓模式。

（1）模擬恒流模式，負載電流與外接被測試電源電壓無關(guān)，電流保持恒定不變時，在電壓恒定下，相當于一個阻值不變的電阻。

（2）模擬恒阻模式，穩(wěn)態(tài)下直流電壓源電壓為恒定不變的值負載電流和外接電壓成線性關(guān)系變化。

（3）模擬恒壓模式，在每次開關(guān)時間很小t近似于零的情況下，U = I_RCR、U = I_RLR，只要調(diào)節(jié)負載電流大小，就可以得到外接等效電壓U.直流電子負載正是利用負載模擬方法，采用對負載電流調(diào)節(jié)方法，使控制環(huán)的可調(diào)節(jié)電流與檢測的輸入電壓滿足特定的規(guī)律，當負載電流和非線性負載電流特性曲線近似的情況下，即可模擬非線性負載。

2.4.2直流電子負載的設(shè)計結(jié)構(gòu)

對功率變換電路進行測試，需要建立一個負載電路，安全的消耗功率轉(zhuǎn)換器的最大功率。有兩種方法可以實現(xiàn)功率消耗，一種過去和現(xiàn)在常用的是用額定的大功率電阻，能耗得方式消耗功率……第二種就是采用電子負載。由一個可控開關(guān)（用雙極型晶體管或MOSFET管）組成的電路，調(diào)節(jié)所需的電流值。MOSFET操作速度快，不會產(chǎn)生靜態(tài)的功率損耗，最大的優(yōu)勢是在直流信號上，MOSFET柵極阻抗無窮大，相當于開路，理論上不會有直流從柵極流向電路的接地點，形成完全由柵極電壓控制的電壓控制型器件，比電流控制型雙極型晶體管BJT更加省電，而且更易驅(qū)動。因此設(shè)計的直流電子負載采用MOSFET為其控制器件。

現(xiàn)有電子負載大都是采用模擬控制環(huán)節(jié)，或采用低端的單片機作為控制芯片，控制環(huán)的電流調(diào)節(jié)困難并且實時性差，難以適應不同電源供應器的具體情況?，F(xiàn)代的32位DSP控制器，如TMS320F280X具有實時代碼處理能力，極大的方便了電源設(shè)計者在高頻段的應用。TMS320F28x系列其強大的CPU處理能力可以運行非線性控制算法，整合多種控制策略，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計從而達到減低系統(tǒng)設(shè)計成本。用DSP來實現(xiàn)數(shù)字電子負載即用DSC取代傳統(tǒng)電子負載上的MCU，調(diào)用不同控制算法來實現(xiàn)高精度的控制要求，將數(shù)字處理器通過其輸入端連接外部設(shè)備，接收用戶發(fā)出的指令和電壓電流反饋值，生成所需的輸出波形到驅(qū)動放大電路的輸入端，控制驅(qū)動放大電路內(nèi)部相應的模擬開關(guān)動作，進而改變輸出到MOS管柵極的電壓值。

電子負載系統(tǒng)采用“TMS320LF2812通過A/D轉(zhuǎn)換、串口通訊、LCD顯示、鍵盤操作何電壓控制實現(xiàn)功率板電路控制的技術(shù)方案，集檢測、控制、變換、顯示等功能于一體的設(shè)計方法。初步研制功率為100W，電流范圍在0-16A，電壓范圍在0-60V的直流電子負載，實現(xiàn)恒流、恒壓、恒阻等工作模式。

圖2.10中，MOS管電路為電子負載主電路，TMS320LF2812為核心處理器，進行控制算法的調(diào)用和實現(xiàn)，D片上A/D轉(zhuǎn)換器完成對測試電源狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和反饋，鍵盤、LCD實現(xiàn)人機交互，串口通訊采用RS232標準實現(xiàn)和上位機的通訊。D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出一定大小的電壓控制信號，控制功率電路MOS管的導通和關(guān)斷，來獲得實際所需的工作電流、電壓。電路中的檢測電路為電壓、電流負反饋回路，通過A/D采集到DSP中數(shù)據(jù)，與預設(shè)值進行比較，作為DSP調(diào)節(jié)控制電壓大小的依據(jù)。

2.4.3 MOSFET的建模

隨著信息化的發(fā)展和電腦性能的增強，計算機輔助設(shè)計成為電子設(shè)計領(lǐng)域的主流手段。模擬電路中的電路分析、數(shù)字電路中的邏輯模擬，甚至在印制電路板、集成電路版時都開始采用計算機輔助設(shè)計來加快設(shè)計效率。在電子設(shè)計領(lǐng)域常用的仿真軟件有PSpice、MATLAB、multisim等，每個仿真軟件應用的側(cè)重點不同，針對研究所用的電子負載，我們選用了PSPICE和MATLAB為最初的兩個仿真軟件。

PSpice軟件功能強大、元器件庫豐富、仿真度高，可以對各種各樣的電路建立仿真電路，模擬電路的工作原理，幾乎可以完全取代電路和電子電路實驗中的元器件、信號源、萬用表和示波器，相當于一個電子電路虛擬的實驗室。PSpice一般采用圖形的方式來描述需要仿真的電路，先打開PSpice提供的繪圖編輯器，調(diào)出模型庫里需要的元器件，輸入元器件及模型的參數(shù)，連接元器件畫出相應的電路圖，定義各個元器件的類型和輸出變量參數(shù)，運行電路仿真程序。電子負載所用到的場效應管為MOSFET的輸出特性是指在恒定的柵-源電壓Vgs下，漏極電流Id和漏-源電壓ds V之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)移特性是指在恒定的Vds下，Id與Vgs的關(guān)系，如果Vds保持不變，Vgs改變的話，Id將會在很大的范圍內(nèi)變化，此時Id與Vgs的比值可以看作是個可變電阻，MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線就是電子負載研究的內(nèi)容。下圖2.11MOSFET電路連接圖和仿真測試轉(zhuǎn)移特圖。

由PSice得到的轉(zhuǎn)移特性圖，可以取得一組可靠的Id和Vgs數(shù)據(jù)進行MATLAB下MOSTEF建模。電子負載系統(tǒng)設(shè)計的最大測試電流是16A，所以研究16A以下的MOSFET的轉(zhuǎn)移特性，下表2.1所示為PSice下仿真數(shù)據(jù)。

Simulink是MATLAB的一個工具包，它和使用者是基于windows的模型化圖形輸入，模型化圖形輸入讓使用者可以花更多精力在模型的構(gòu)建而不在語言的編程上，Simulink里面提供了一些按照功能分類的模塊，使用者只需知道模塊的輸入、輸出及模塊的功能，不必考慮模塊內(nèi)部構(gòu)造，通過對這些模塊的調(diào)用，連接起來就構(gòu)成所需的模型。根據(jù)上表2.1得到的MOSFET轉(zhuǎn)移特性參數(shù)表，在MATLAB軟件的Simulink平臺下，用Lookup tables模塊構(gòu)建非線性仿真模塊，可以模擬MOSFET轉(zhuǎn)移特性，進行簡易的MOSFET管的非線性模型構(gòu)建和電子負載控制系統(tǒng)仿真。

在Simulink模塊中點擊選擇“Lookup Tables”，也就是所謂的查詢表模塊，在Lookup tables的功能參數(shù)設(shè)置中的vector of input values和vector ofoutput values輸入表2.1的Vgs和Id的數(shù)值，進行線性插值曲線擬合，用查表法近似一維函數(shù)，建立輸入信號查詢表，搭建出MOSFET的簡易模型。考慮到設(shè)計的電路中運算放大器等模擬器件的慣性滯后性，在主回路里加入一階慣性環(huán)節(jié)，使輸出延緩地反應輸入量的變化規(guī)律，時間常數(shù)設(shè)定為100微妙，E_source為外接電源的值，設(shè)定為30V，DSP輸出輸入信號最大為3.3V，加入3.3V限幅模塊，設(shè)置正負幅值，模擬主回路的飽和特性。模擬電子負載如下圖2.12所示。

設(shè)計好簡易的電子負載模型后，在Subsystem模塊中，對電子負載模型進行封裝，命名為電子負載，如下圖2.13所示，對建立電子負載模型進行階躍響應測試圖如下所示。