基于 DSP 的電子負(fù)載----功率電路設(shè)計(jì)和采樣電路設(shè)計(jì)

3.2功率電路設(shè)計(jì)和采樣電路設(shè)計(jì)

3.2.1功率電路

電子負(fù)載的功率耗散部分是一個(gè)N溝道的功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET.當(dāng)一個(gè)電壓施加在MOSFET的兩端時(shí)，N溝道里面的正負(fù)電離子分布也會(huì)跟著改變，正離子的濃度會(huì)減少，電子的濃度會(huì)增加。當(dāng)電壓夠強(qiáng)時(shí)，接近柵極端的電子濃度會(huì)超過(guò)電洞。這個(gè)在P型半導(dǎo)體中，電子濃度（帶負(fù)電荷）超過(guò)正離子（帶正電荷）

濃度的區(qū)域，形成所謂的導(dǎo)電溝道。如果在其柵極（G）和源極（S）之間加上一個(gè)正向電壓（稱(chēng)為門(mén)極電壓），在正向電場(chǎng)作用下，稱(chēng)耗盡區(qū)變薄，溝道變窄，漏極電流變大。場(chǎng)效應(yīng)管為電壓型控制元件，開(kāi)關(guān)頻率高，具有正的溫度系數(shù)，工作在轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)區(qū)時(shí)，門(mén)極與漏源極之間的伏安特性可以看作是一個(gè)受柵極電壓控制的可變電阻。

電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的電流工作范圍是：0～16A（高檔位），0～3A（低檔位）；電壓工作范圍是：0～60V（高檔位），0～5V（低檔位）。電阻工作范圍是：0.1-100Ω。設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，留取一定裕量，并考慮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的不確定因素。

圖3.4（a）、（b）所示分別為N溝道增強(qiáng)型MOS管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性曲線(xiàn)，它有三個(gè)工作區(qū)域：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)及夾斷區(qū)，如圖中所標(biāo)注。

電子負(fù)載的主電路中功率耗散元器件為N-MOS，MOSFET管上需要加上散熱片，采用空氣冷卻方式解決大電流經(jīng)過(guò)MOS管導(dǎo)致的溫升。主電路采用OPA運(yùn)算放大器和MOSFET串連，運(yùn)算放大器上加+V的供電電平，X2的輸出端為功率管MOSFET提供一個(gè)門(mén)觸發(fā)電壓，R3是一個(gè)門(mén)電阻，它的作用是門(mén)限流和避免噪聲導(dǎo)致的MOSFET的自激振蕩，C1為控制環(huán)提供補(bǔ)償。X3輸出電壓經(jīng)X2將輸出電壓鉗位在MOSFET開(kāi)啟電平（大約在3.6V）以下，以防止其工作。當(dāng)連接測(cè)試電源并且超過(guò)3.6伏的鉗位電壓時(shí)，運(yùn)算放大器輸出的調(diào)節(jié)幅度比可以設(shè)定的調(diào)節(jié)范圍小得多，這樣響應(yīng)可以更快并且開(kāi)啟可控。被測(cè)的輸出電源的連線(xiàn)在上圖中用DC+和DC-標(biāo)示出來(lái)。驅(qū)動(dòng)電路如圖3.5所示。

3.2.2電流和電壓采樣電路

A/D是檢測(cè)和測(cè)量負(fù)載電流和電壓的重要器件，為了讓負(fù)載準(zhǔn)確工作在不同方式下，設(shè)計(jì)中對(duì)被測(cè)電源的輸出電壓和MOS管的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。采樣AD選用TMS320LF2812自帶的具有12位精度的逐次逼近型A/D，采樣精度可達(dá)5V/4096≈0.0025V.A/D的輸入口為高阻態(tài)，輸入阻抗極大，容易被干擾，為提高抗噪聲能力并且保護(hù)A/D不被高于3.3V的電壓輸入所損壞，增加了RC濾波器，可以將大部分紋波和高頻噪聲有效的濾除。根據(jù)TI的數(shù)據(jù)手冊(cè)，2812的AD采樣電路精度不是很高，一般只有2%.需要對(duì)AD采樣進(jìn)行軟件校正，軟件校正后的精度可以達(dá)到0.5%，這在第五章里將有詳細(xì)的論述。此外，根據(jù)TI的應(yīng)用手冊(cè)，A/D的線(xiàn)性度在0.3V~2.7V時(shí)轉(zhuǎn)換效果最好，因此設(shè)計(jì)AD采樣電路時(shí)，盡量將所要采樣的信號(hào)變換到AD采樣線(xiàn)性度較好的區(qū)間。

根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，采樣電路包括電壓采樣電路和電流采樣電路，從功率電路采集實(shí)際工作電壓和電流，反饋到DSP的AD口，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

電流采樣電路中，負(fù)載電流經(jīng)過(guò)采樣感應(yīng)電阻R4，由具有差分放大器作用的R11、R12、R13、R14組成的運(yùn)算放大器X4檢測(cè)，差分放大器由這個(gè)電流產(chǎn)生一個(gè)電壓，由X4的負(fù)相端檢測(cè)，其中_HI_EN信號(hào)由DSP給出的場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)啟電壓，高低檔位選擇信號(hào)，低檔位時(shí)_HI_EN是高電平，Y1導(dǎo)通R12和R14處于并聯(lián)狀態(tài)，R13和并聯(lián)的R14、R12分壓。高檔位時(shí)_HI_EN是低電平，Y1處于截止無(wú)窮大電阻狀態(tài)，R13和R14串聯(lián)分壓。這個(gè)信號(hào)X4的正相檢測(cè)，與0～5V的參考電平進(jìn)行比較，相應(yīng)成比例的的電流就是0～16A（高檔位）、0～3A（低檔位）。圖3.6所示為電流采樣電路原理圖。

電壓采樣電路中，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)R19和R16進(jìn)入X5的正相檢測(cè)端，由具有差分放大器作用的R16、R17、R18、R19組成的運(yùn)算放大器X5檢測(cè)，差分放大器產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，由X4的負(fù)相端檢測(cè)，其中_HI_EN信號(hào)由DSP給出的場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)啟電壓，高低檔位選擇信號(hào)，高檔位時(shí)_HI_EN是高電平，Y2導(dǎo)通R16和R19處于串聯(lián)狀態(tài)，R16和R19串聯(lián)分壓。低檔位時(shí)_HI_EN是低電平，Y2處于截止無(wú)窮大電阻狀態(tài)，R19和R20并聯(lián)，R16和并聯(lián)的R19和R20組成串聯(lián)電路，進(jìn)行串聯(lián)分壓。這個(gè)信號(hào)X5的正相檢測(cè)，與0～5V的參考電平進(jìn)行比較，相應(yīng)成比例的的電流就是0～5V（低檔位）、0～60V（高檔位）。圖3.7所示為電壓采樣電路原理圖

3.3電源電路設(shè)計(jì)

電子負(fù)載電源設(shè)計(jì)包含兩個(gè)方面的內(nèi)容，供電電源電壓和電源管理。

電源電壓設(shè)計(jì)是根據(jù)電子負(fù)載系統(tǒng)需求來(lái)進(jìn)行電壓分配，電子負(fù)載系統(tǒng)中，DSP芯片工作電壓是3.3V，內(nèi)核電壓1.8V，信號(hào)板上高低檔位選擇電壓信號(hào)、恒壓恒流使能信號(hào)均為3.3V，輸入電壓范圍在5～12V之間，輸出線(xiàn)性誤差在0.2%以?xún)?nèi)，可以在120度下的溫度穩(wěn)定的工作。C89，C91采用穩(wěn)定耐用的貼片鉭電容，鉭電容使用溫度范圍寬，耐高溫，絕緣電阻高，漏電流小，容量誤差小，等效串聯(lián)電阻小，高頻性能好，和發(fā)熱量巨大的負(fù)載板長(zhǎng)時(shí)間在一起也可以保持良好的性能。

DSP控制板采用用5V直流電源供電，負(fù)載板直接連接市電220V電源，測(cè)試電源連接市電。在調(diào)試時(shí)為了減少信號(hào)板的模擬電路對(duì)DSP控制板的數(shù)字電路造成不必要的噪聲影響，首先DSP控制板上電，其次功率板上電，最后測(cè)試電源再上電。電源電路如圖3.8所示，左側(cè)是給電子負(fù)載信號(hào)板供電的電壓（+9V，+5V，-5V），右側(cè)是給控制板供電電壓（3.3V，1.8V）。

3.4信號(hào)板設(shè)計(jì)

（1）地線(xiàn)的設(shè)計(jì)

電子負(fù)載系統(tǒng)中有兩種地線(xiàn)：模擬地和數(shù)字地。接地有兩方面好處，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力和保障測(cè)試人員的安全。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)最終都要回流到地，數(shù)字信號(hào)變化速度快，從而在數(shù)字地上的噪聲就會(huì)很大，如果模擬信號(hào)是需要一個(gè)無(wú)噪聲的地參考，就不能把模擬地和數(shù)字地混在一起，數(shù)字地的噪聲會(huì)影響到模擬信號(hào)。電子負(fù)載電路板上既有高速邏輯電路，又有線(xiàn)性模擬電路，屬于數(shù)?；旌想娐?，應(yīng)使它們盡量分開(kāi)。大檔位時(shí)的負(fù)載電流流過(guò)地線(xiàn)上的回路時(shí)，信號(hào)板上電阻可能會(huì)有幾百毫伏的電壓降而引起的測(cè)量誤差，所以采用加大引出端的接地面積之外，對(duì)于MOS管主電路與控制電路之間通過(guò)RC電路濾波去除噪聲。

（2）元器件的布局

在元器件的布局方面，進(jìn)行電路板合理分區(qū)，把相關(guān)的元器件盡量放得靠近一些。如：晶振、時(shí)鐘發(fā)生器、CPU的時(shí)鐘，輸入時(shí)都容易產(chǎn)生噪聲，放置的時(shí)候放在一起。大功率器件MOSFET管遠(yuǎn)離密集的電路，放在了電路板邊緣。模擬電壓輸入、參考電壓端盡量遠(yuǎn)離數(shù)字電路信號(hào)線(xiàn)，布線(xiàn)時(shí)切忌90度折線(xiàn)造成的高頻噪聲發(fā)射。所有平行信號(hào)線(xiàn)之間留有一定的間隔，以減少串?dāng)_。有相距較近的信號(hào)線(xiàn)時(shí)，在線(xiàn)與線(xiàn)之間走一條接地線(xiàn)，這樣可以起到屏蔽的作用。

（3）閑置端口的設(shè)置

TMS320LF2812有56個(gè)數(shù)字量輸入輸出口，一部分為專(zhuān)用的IO口，大部分為通用口，可以通過(guò)配置相應(yīng)的寄存器來(lái)設(shè)置IO口的方向，對(duì)于設(shè)計(jì)中剩余的閑置的IO端口都定義為輸出口。

（4）信號(hào)板主回路仿真測(cè)試

為對(duì)主回路進(jìn)行測(cè)試，在PSspic環(huán)境下搭建了電子負(fù)載主回路，如圖3.9所示，并對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行階躍響應(yīng)仿真測(cè)試，為了測(cè)試準(zhǔn)確性，分別對(duì)3.3A和16A的負(fù)載電流進(jìn)行方波跟蹤，仿真測(cè)試結(jié)果為3.10圖，可以看出主電路良好的方波跟蹤性比較讓人滿(mǎn)意。較讓人滿(mǎn)意。