2.4電子負載系統(tǒng)設計方案

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，設被測試電源的輸出電壓為Udc，方框內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，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系變化。

（3）模擬恒壓模式，在每次開關時間很小t近似于零的情況下，U = I_RCR、U = I_RLR，只要調節(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，采用對負載電流調節(jié)方法，使控制環(huán)的可調節(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直流電子負載的設計結構

對功率變換電路進行測試，需要建立一個負載電路，安全的消耗功率轉換器的最大功率。有兩種方法可以實現功率消耗，一種過去和現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（用雙極型晶體管或MOSFET管）組成的電路，調節(jié)所需的電流值。MOSFET操作速度快，不會產生靜態(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，而且更易驅動。因此設計的直流電子負載采用MOSFET為其控制器件。

現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)設計從而達到減低系統(tǒng)設計成本。用DSP來實現數字電子負載即用DSC取代傳統(tǒng)電子負載上的MCU，調用不同控制算法來實現高精度的控制要求，將數字處理器通過其輸入端連接外部設備，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動放大電路的輸入端，控制驅動放大電路內部相應的模擬開關動作，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轉換、串口通訊、LCD顯示、鍵盤操作何電壓控制實現功率板電路控制的技術方案，集檢測、控制、變換、顯示等功能于一體的設計方法。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，進行控制算法的調用和實現，D片上A/D轉換器完成對測試電源狀態(tài)數據的采集和反饋，鍵盤、LCD實現人機交互，串口通訊采用RS232標準實現和上位機的通訊。D/A轉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中數據，與預設值進行比較，作為DSP調節(jié)控制電壓大小的依據。

2.4.3 MOSFET的建模

隨著信息化的發(fā)展和電腦性能的增強，計算機輔助設計成為電子設計領域的主流手段。模擬電路中的電路分析、數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計來加快設計效率。在電子設計領域常用的仿真軟件有PSpice、MATLAB、multisim等，每個仿真軟件應用的側重點不同，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，調出模型庫里需要的元器件，輸入元器件及模型的參數，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，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之間的關系。轉移特性是指在恒定的Vds下，Id與Vgs的關系，如果Vds保持不變，Vgs改變的話，Id將會在很大的范圍內變化，此時Id與Vgs的比值可以看作是個可變電阻，MOSFET的轉移特性曲線就是電子負載研究的內容。下圖2.11MOSFET電路連接圖和仿真測試轉移特圖。

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

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，不必考慮模塊內部構造，通過對這些模塊的調用，連接起來就構成所需的模型。根據上表2.1得到的MOSFET轉移特性參數表，在MATLAB軟件的Simulink平臺下，用Lookup tables模塊構建非線性仿真模塊，可以模擬MOSFET轉移特性，進行簡易的MOSFET管的非線性模型構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的功能參數設置中的vector of input values和vector ofoutput values輸入表2.1的Vgs和Id的數值，進行線性插值曲線擬合，用查表法近似一維函數，建立輸入信號查詢表，搭建出MOSFET的簡易模型。考慮到設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，時間常數設定為100微妙，E_source為外接電源的值，設定為30V，DSP輸出輸入信號最大為3.3V，加入3.3V限幅模塊，設置正負幅值，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。