基于 DSP 的電子負(fù)載----電子負(fù)載系統(tǒng)分析

第2章電子負(fù)載系統(tǒng)分析

輸出電能或轉(zhuǎn)換電能的設(shè)備或部件各式各樣，如何對(duì)其輸出特性進(jìn)行可靠、全面且比較簡(jiǎn)單、快捷的測(cè)試，一直是儀表測(cè)試行業(yè)研究的問(wèn)題。傳統(tǒng)測(cè)試中，常采用靜態(tài)負(fù)載（作為消耗能量的器件廣泛地稱為負(fù)載）。實(shí)際上負(fù)載的形式較為復(fù)雜，常為一些動(dòng)態(tài)負(fù)載。如：負(fù)載消耗的功率是時(shí)間的函數(shù)，或者負(fù)載工作在恒定電流、恒定電阻、恒定電壓方式以及不同的峰值因數(shù)、功率因數(shù)或負(fù)載為瞬時(shí)短路等，傳統(tǒng)電阻式負(fù)載無(wú)法模擬這些復(fù)雜的負(fù)載形式。電子負(fù)載的出現(xiàn)解決了這一難題，它能替代傳統(tǒng)的電阻性負(fù)載，尤其對(duì)吸收恒定電流或以恒定電壓吸收電流，或電壓、電流都要在設(shè)定范圍突變等傳統(tǒng)方法不能解決的領(lǐng)域里

2.1電子負(fù)載的結(jié)構(gòu)組成

電子負(fù)載儀總體結(jié)構(gòu)分兩種類型：一種是單負(fù)載模組結(jié)構(gòu)，該類電子負(fù)載只包含一個(gè)負(fù)載模組，且不能聯(lián)機(jī)使用，只能應(yīng)用于單輸出的電源供應(yīng)器測(cè)試，而對(duì)于多路輸出的則需要多模組協(xié)調(diào)工作。第二種類型是模組+機(jī)框的結(jié)構(gòu)，該類電子負(fù)載通過(guò)機(jī)框作為總控制器，同時(shí)將負(fù)載模組安裝于機(jī)框內(nèi)部，通過(guò)機(jī)框內(nèi)安裝多個(gè)負(fù)載模組實(shí)現(xiàn)多路輸出的電源供應(yīng)器和單輸出電源供應(yīng)器的并行測(cè)試。

無(wú)論是單模塊結(jié)構(gòu)還是柜式結(jié)構(gòu)的電子負(fù)載都是可以獨(dú)立工作的儀器，前者帶有物理面板、控制旋鈕、數(shù)字按鍵和顯示器。后者不帶物理面板需要機(jī)柜或機(jī)箱配合使用。共同的特點(diǎn)是：輸出電壓時(shí)電流調(diào)節(jié)范圍大，測(cè)試模式有恒流、恒壓、恒阻和恒功率；內(nèi)置電壓、電流和功率測(cè)量電路，以及過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱、過(guò)功率保護(hù)電路，還有輸出極性防翻轉(zhuǎn)電路；GPIB和RS485接口，便于程控輸出電壓、電流瞬時(shí)特性，以及測(cè)試電壓、電流和功率；驅(qū)動(dòng)器和應(yīng)用軟件隨機(jī)供應(yīng)，即插即用。電子負(fù)載測(cè)試電源性能時(shí)如下圖1所示。

2.2電子負(fù)載原理及功能

2.2.1電子負(fù)載的控制原理

電子負(fù)載核心控制器件采用功率晶體管，負(fù)載電流是這些晶體管集電極電流的總和，通過(guò)控制晶體管的基極電流獲得所需的集電極電流，將消耗的功率轉(zhuǎn)化為熱，再通過(guò)散熱器由對(duì)流和輻射散失掉消耗的電能。MCU是整個(gè)電路的核心，采用功率調(diào)整管作為電子負(fù)載，MCU通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路輸出電壓控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器調(diào)整后，通過(guò)調(diào)節(jié)功率管的基極電壓，把功率管模擬成負(fù)載使用，其原理框圖如下圖2所示。

2.2.2電子負(fù)載的功能

電子負(fù)載可以模擬定電流、定電壓、定電阻的負(fù)載情況，具有初值的設(shè)定，內(nèi)接電壓表、電流表、功率顯示，具有過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)流、極性反接保護(hù)功能，主要有以下幾種功能。

（1）定電流（CC）模式

在定電流模式：不論輸入電壓大小如何變化，電子負(fù)載將根據(jù)設(shè)定值來(lái)吸收電流。定電流模式常用于測(cè)試電壓源及AC/DC電源的負(fù)載調(diào)整率和蓄電池的放電，尤其可以為開(kāi)關(guān)電源做電流測(cè)試，電子負(fù)載的定電流模式如圖3所示。

（2）定電壓（CV）模式

定電壓模式：電子負(fù)載流入的電流以維持控制電壓在設(shè)定值。定電壓模式常用于測(cè)試電流源，測(cè)試電源電流突然增大時(shí)的限流特性，定電壓可以仿真電池的端電壓，故可用于測(cè)試電池充電器，電子負(fù)載的定電壓模式如圖4所示。

（3）定電阻（CR）模式

定電阻模式：恒定阻值模式下，電子負(fù)載檢測(cè)負(fù)載端的電壓值，吸收和電壓值成線性比例的電流。定電阻模式常用于測(cè)試電流源、電壓源和電源的激活測(cè)試。用于測(cè)試電源的啟動(dòng)和限流特性，相當(dāng)于可變變阻器，不收溫度的影響，電子負(fù)載的定電阻模式如圖5所示。

（4）定功率（CP）模式

定功率模式：在定功率模式下，電子負(fù)載流入的負(fù)載電流根據(jù)所設(shè)定的功率大小而改變，此時(shí)負(fù)載流入的電流和電壓的乘積等于設(shè)定的功率值，定功率模式常用于電池容量壽命測(cè)試，電子負(fù)載的定功率模式如圖6所示。

（5）動(dòng)態(tài)負(fù)載模式

動(dòng)態(tài)負(fù)載是周期性的在兩個(gè)狀態(tài)下切換。電源的調(diào)整率和瞬態(tài)反應(yīng)在高低電流水平、持續(xù)時(shí)間和升降率變化下用示波器監(jiān)看它的電壓輸出波形。動(dòng)態(tài)負(fù)載模式用于測(cè)試電源的整體回路反應(yīng)，即瞬時(shí)響應(yīng)和回復(fù)時(shí)間測(cè)試。實(shí)際上大部分負(fù)載是動(dòng)態(tài)復(fù)載，如計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作和不動(dòng)作時(shí)工作電流的變化，動(dòng)態(tài)負(fù)載模式如圖7所示。

（6）負(fù)載短路模式

負(fù)載短路是指DC或AC電源輸出端有很低的輸出阻抗，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，電源的保護(hù)電路應(yīng)產(chǎn)生作用來(lái)限制輸出電流，從而可以保護(hù)電源和電路上的負(fù)載，負(fù)載短路如圖8所示。

2.3目前電子負(fù)載存在的問(wèn)題存在的問(wèn)題：

（1）?？傮w結(jié)構(gòu)看來(lái)，單負(fù)載模組不能滿足多路輸出的電源供應(yīng)器的測(cè)試和單輸出電源供應(yīng)器的并行測(cè)試要求；模組+機(jī)框的結(jié)構(gòu)雖然可以滿足以上要求，但成本增加，受機(jī)框的限制，用戶使用不靈活。

（2）。負(fù)載電流的上升/下降采用不可調(diào)節(jié)或模擬調(diào)節(jié)，對(duì)種類繁多的電源供應(yīng)器適應(yīng)性差，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)困難，易引起電源供應(yīng)器的輸出電壓或負(fù)載電流的震蕩沖擊，干擾測(cè)試結(jié)果，觸發(fā)誤動(dòng)作或損壞被測(cè)的電源供應(yīng)器。

（3）。不具有動(dòng)態(tài)負(fù)載測(cè)試功能或動(dòng)態(tài)測(cè)試形式單一，不能滿足電源供應(yīng)器的較高要求和特殊測(cè)試的要求。

（4）。不能對(duì)電池的交流內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)量。電池行業(yè)中對(duì)交流內(nèi)阻的測(cè)量需要采用專用的測(cè)量?jī)x器，如交流毫歐表，價(jià)格昂貴。