基于 DSP 的電子負(fù)載----電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.4電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.4.1直流電子負(fù)載的原理

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

Figure 2.9 equivalent circuit上圖為外接電源帶阻感或阻容負(fù)載時(shí)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(fù)載單元里的負(fù)載電流I_RL或I_R是按照上式2.3和2.4來(lái)變化的，根據(jù)負(fù)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(fù)載電流與外接被測(cè)試電源電壓無(wú)關(guān)，電流保持恒定不變時(shí)，在電壓恒定下，相當(dāng)于一個(gè)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(fù)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(kāi)關(guān)時(shí)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(fù)載電流大小，就可以得到外接等效電壓U.直流電子負(fù)載正是利用負(fù)載模擬方法，采用對(duì)負(fù)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(cè)的輸入電壓滿足特定的規(guī)律，當(dāng)負(fù)載電流和非線性負(fù)載電流特性曲線近似的情況下，即可模擬非線性負(fù)載。

2.4.2直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

對(duì)功率變換電路進(jìn)行測(cè)試，需要建立一個(gè)負(fù)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(shí)現(xiàn)功率消耗，一種過(guò)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(fù)載。由一個(gè)可控開(kāi)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(huì)產(chǎn)生靜態(tài)的功率損耗，最大的優(yōu)勢(shì)是在直流信號(hào)上，MOSFET柵極阻抗無(wú)窮大，相當(dāng)于開(kāi)路，理論上不會(huì)有直流從柵極流向電路的接地點(diǎn)，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(dòng)。因此設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載采用MOSFET為其控制器件。

現(xiàn)有電子負(fù)載大都是采用模擬控制環(huán)節(jié)，或采用低端的單片機(jī)作為控制芯片，控制環(huán)的電流調(diào)節(jié)困難并且實(shí)時(shí)性差，難以適應(yīng)不同電源供應(yīng)器的具體情況。現(xiàn)代的32位DSP控制器，如TMS320F280X具有實(shí)時(shí)代碼處理能力，極大的方便了電源設(shè)計(jì)者在高頻段的應(yīng)用。TMS320F28x系列其強(qiáng)大的CPU處理能力可以運(yùn)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(jì)從而達(dá)到減低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。用DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子負(fù)載即用DSC取代傳統(tǒng)電子負(fù)載上的MCU，調(diào)用不同控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的控制要求，將數(shù)字處理器通過(guò)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(dòng)放大電路的輸入端，控制驅(qū)動(dòng)放大電路內(nèi)部相應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)動(dòng)作，進(jìn)而改變輸出到MOS管柵極的電壓值。

電子負(fù)載系統(tǒng)采用“TMS320LF2812通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換、串口通訊、LCD顯示、鍵盤(pán)操作何電壓控制實(shí)現(xiàn)功率板電路控制的技術(shù)方案，集檢測(cè)、控制、變換、顯示等功能于一體的設(shè)計(jì)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(fù)載，實(shí)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(fù)載主電路，TMS320LF2812為核心處理器，進(jìn)行控制算法的調(diào)用和實(shí)現(xiàn)，D片上A/D轉(zhuǎn)換器完成對(duì)測(cè)試電源狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和反饋，鍵盤(pán)、LCD實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，串口通訊采用RS232標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通訊。D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出一定大小的電壓控制信號(hào)，控制功率電路MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，來(lái)獲得實(shí)際所需的工作電流、電壓。電路中的檢測(cè)電路為電壓、電流負(fù)反饋回路，通過(guò)A/D采集到DSP中數(shù)據(jù)，與預(yù)設(shè)值進(jìn)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(qiáng)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)成為電子設(shè)計(jì)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(shí)都開(kāi)始采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來(lái)加快設(shè)計(jì)效率。在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域常用的仿真軟件有PSpice、MATLAB、multisim等，每個(gè)仿真軟件應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)不同，針對(duì)研究所用的電子負(fù)載，我們選用了PSPICE和MATLAB為最初的兩個(gè)仿真軟件。

PSpice軟件功能強(qiáng)大、元器件庫(kù)豐富、仿真度高，可以對(duì)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(shí)驗(yàn)中的元器件、信號(hào)源、萬(wàn)用表和示波器，相當(dāng)于一個(gè)電子電路虛擬的實(shí)驗(yàn)室。PSpice一般采用圖形的方式來(lái)描述需要仿真的電路，先打開(kāi)PSpice提供的繪圖編輯器，調(diào)出模型庫(kù)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(huà)出相應(yīng)的電路圖，定義各個(gè)元器件的類型和輸出變量參數(shù)，運(yùn)行電路仿真程序。電子負(fù)載所用到的場(chǎng)效應(yīng)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(huì)在很大的范圍內(nèi)變化，此時(shí)Id與Vgs的比值可以看作是個(gè)可變電阻，MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線就是電子負(fù)載研究的內(nèi)容。下圖2.11MOSFET電路連接圖和仿真測(cè)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(jìn)行MATLAB下MOSTEF建模。電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大測(cè)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(gè)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(yǔ)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(guò)對(duì)這些模塊的調(diào)用，連接起來(lái)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(tái)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(jìn)行簡(jiǎn)易的MOSFET管的非線性模型構(gòu)建和電子負(fù)載控制系統(tǒng)仿真。

在Simulink模塊中點(diǎn)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(jìn)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(hào)查詢表，搭建出MOSFET的簡(jiǎn)易模型。考慮到設(shè)計(jì)的電路中運(yùn)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(yīng)輸入量的變化規(guī)律，時(shí)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(hào)最大為3.3V，加入3.3V限幅模塊，設(shè)置正負(fù)幅值，模擬主回路的飽和特性。模擬電子負(fù)載如下圖2.12所示。

設(shè)計(jì)好簡(jiǎn)易的電子負(fù)載模型后，在Subsystem模塊中，對(duì)電子負(fù)載模型進(jìn)行封裝，命名為電子負(fù)載，如下圖2.13所示，對(duì)建立電子負(fù)載模型進(jìn)行階躍響應(yīng)測(cè)試圖如下所示。