鄒家奇

(海軍駐無錫地區(qū)軍事代表室,江蘇 無錫 214061)

在電源、電池、充電器等功率類電子產(chǎn)品的測試中,通常需要使用負載來測試產(chǎn)品的帶負載能力[1]。采用電阻、電容、電感及其組合形式來模擬負載占用空間較大，且精度較差、形式單一、其負載大小不能調(diào)節(jié)[2]。在實際測試中,負載會隨著時間、頻率及外界因素不斷變化,因而靜態(tài)負載并不能完全替代實際負載進行測試[3]。直流電子負載是利用大功率半導(dǎo)體器件把進入電子負載的電能轉(zhuǎn)換成熱能或傳送給電網(wǎng),它既能模擬恒定電流、恒定電壓和恒定電阻等多種實際負載,也可模擬特殊負載波形,并且因其體積小、功耗低、阻值可調(diào)范圍大等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于電源類產(chǎn)品的穩(wěn)態(tài)特性和瞬態(tài)特性及其他功率電子元器件的測試、老化和分析等環(huán)節(jié)中[4-5]。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,各類電子類產(chǎn)品指標(biāo)性能逐漸提高,對電子負載的性能提出了更加嚴(yán)格的要求,特別是在恒定電壓和恒定電流方面的技術(shù)指標(biāo)要求越來越高[6]。恒流源一般采用精密并聯(lián)型三端可調(diào)基準(zhǔn)電壓源來替代穩(wěn)壓管的作用,但因該元件構(gòu)成的恒流源輸出電流不可調(diào)，且數(shù)值較小、范圍較窄、精度不高以及與可調(diào)電阻呈非線性關(guān)系,導(dǎo)致電子負載在電流精細調(diào)節(jié)和量程擴展方面存在諸多問題,其響應(yīng)速度較慢、精度不高、動態(tài)負載測試功能不完善及其穩(wěn)定性較差成了電子負載技術(shù)中的主要問題[7-9]。針對以上這些問題,通過采用高精度電子器件及合理的電路板布線方法,提出了提高輸出電流精度的設(shè)計方法,實現(xiàn)了一款新型的高精度、轉(zhuǎn)換速度快并且具有過壓保護及自動測量功能的直流電子負載。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由恒流源電路、取樣電路及控制電路所組成?？刂齐娐芬訫SP430單片機為核心,主要進行電壓和電流采樣,并通過與設(shè)定參數(shù)值對比,得出系統(tǒng)誤差,再通過控制算法找出合適的控制信號。通過控制12 位精密串行輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7611輸出電壓控制信號,控制信號經(jīng)過調(diào)整后,通過功率管的基極電壓,將其模擬成負載使用。由于DAC的輸出電壓值的大小決定了MODFET功率電路中的負載電流大小,從而達到了對電子負載輸出電流的大小控制。同時處理器還控制雙通道差分16位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705采集輸出電壓和電流大小,既實現(xiàn)了電子負載恒流工作模式的電流設(shè)定以及電壓、電流的測量顯示,又能進行過壓保護和對負載調(diào)整率自動的測量。恒流源電路中,處理器輸出的控制電壓信號經(jīng)誤差放大電路轉(zhuǎn)換為MOSFET的柵極電壓,實現(xiàn)了驅(qū)動該MOSFET管的功能,同時接收反饋信號,進行實時調(diào)整輸出電流的目的。取樣電路中檢流電阻采用低溫漂的檢流電阻進行電流檢測,信號經(jīng)精密低功耗儀器放大器INA128進行信號放大,之后信號與DAC7611的輸出電壓通過誤差放大器AD708進行誤差比較并控制恒流源電路中MOSFET輸出電流。電壓采集采用高精度、低溫漂的電阻進行分壓,然后通過儀表放大器INA128進行跟隨驅(qū)動。最后通過AD7705的兩個通道對電壓和電流信號進行測量,并由單片機控制顯示?？傮w框圖如圖1所示。

2 主要電路與程序設(shè)計

2.1 電壓采樣電路

系統(tǒng)的輸出電流精度、測量精度及系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要取決于取樣電阻的精度和漂移,如果使用普通電阻,其溫度漂移大于100ppm,在環(huán)境溫度變化和工作狀態(tài)不同時,電阻值會產(chǎn)生較大變化,從而影響電流的輸出精度和測量精度[10]。同時在電壓采樣電路中使用普通運算放大器進行信號采集和放大,雖然電路結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方式簡單,當(dāng)電子負載工作電流達到1A以上時,由于運放放大器本身的性能誤差,其在不同的工作狀態(tài)下地回路上將產(chǎn)生較大的電位差,從而影響電流和電壓的測量精度[9]。因此系統(tǒng)需采用高精度、低漂移電阻進行信號采集與增益設(shè)置,同時采用高增益、高共模抑制比的儀表放大器INA128對采集的電壓、電流信號進行放大,從而實現(xiàn)較高的精度、穩(wěn)定度。電壓采樣電路電路圖如圖2所示。圖2中,電阻R1和R2為高精度、低溫漂電阻,其溫度漂移小于10ppm。電路板制作中需注意將R2的接地點與儀表放大器INA128的接地管腳以最短的距離接到電路板的地中,盡可能減小地回路中的電位差。

2.2 電流采樣電路與恒流源電路

恒流源電路中,采用N型MOSFET管作為功率器件,DAC7611與高精度、低溫漂運算放大器AD780組成其驅(qū)動電路,根據(jù)MOSFET管轉(zhuǎn)移特性,在恒定的VDS作用下,漏極電流iD將隨著柵源極電壓VGS的變化產(chǎn)生非線性變化,此時VGS與iD的比值相當(dāng)于一個可變電阻[11]。根據(jù)MOSFET管的轉(zhuǎn)移特性,改變VGS的值就可以調(diào)節(jié)iD的大小,通過DAC7611輸出電壓給MOSFET管提供一個門觸發(fā)電壓,從而實現(xiàn)對輸出電流的精準(zhǔn)控制,其電路圖如圖3所示。由于N型MOSFET管是一種壓控型器件,其溫度會隨著流經(jīng)電流的增大而增大,因此務(wù)必要在N型MOSFET管上裝上散熱片[12]。

電流采樣電路中,漏極電流經(jīng)過采樣電阻R4轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的采樣電壓,其電阻兩端直接與儀表放大器的同向端和反向端相接。此時應(yīng)當(dāng)注意,儀表放大器INA128的輸出端與AD7705的VIN+相接,而其參考端REF必須直接接到AD7705的VIN-端,減小回路走線帶來的誤差。

2.3 程序設(shè)計

程序流程圖如圖4所示,處理器可通過掃描鍵盤獲取用戶輸入信息。在輸入完電流設(shè)定值后,按確認鍵即可輸出相應(yīng)電流。如果按下切斷鍵,則恒流電路與輸入電壓斷開,否則只有在電壓超過18V時電路自動切斷輸入電壓。如果按下調(diào)整率測量鍵,則電路將在2s內(nèi)自動完成負載調(diào)整率測量,并且輸出結(jié)果。

3 性能分析與參數(shù)計算

3.1 電流測量計算

由于系統(tǒng)中流經(jīng)電流采樣電阻較大,因此其阻值越小功耗越小,且在不同工作狀態(tài)下引起的電阻漂移越小,電路穩(wěn)定性越高?；谝陨峡紤]系統(tǒng)選擇0.02Ω/3W的低溫漂檢流電阻,將0～1A的電流轉(zhuǎn)換為0～0.02V的電壓。由于選擇了雙通道差分16位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705進行電壓采集,其輸入電壓范圍為0～2.5V,因此將0～0.02V的電壓經(jīng)過100倍放大,得到0～2V的電壓,在滿足AD輸入范圍的同時,可留有一定的裕量,方便進行軟件調(diào)整和補償。

3.2 恒流電路原理

精密放大器AD708將轉(zhuǎn)換后的電流信號與DAC7611的輸出電壓進行誤差比較,如DAC7611的輸出電壓大于采樣電流信號值,則會引起AD708輸出電壓增加,從而引起輸出電流的增加,最終使得DAC輸出電壓等于電流測量信號,實現(xiàn)了實時精確控制。

3.3 電壓測量計算

如需電子負載具有過壓保護功能,系統(tǒng)設(shè)置的保護電壓為18V,則需將電路測量電壓范圍設(shè)定為0～20V以上。電壓采樣電路中采用80K和10K的精密電阻組成串聯(lián)分壓電路,將輸入電壓轉(zhuǎn)換為原來的1/9。得到0～2.22V的電壓,在滿足測量范圍的同時也保證了一定的裕量。

3.4 電流設(shè)置、電壓采集精度計算與分析

系統(tǒng)電流設(shè)置精度為±1%,系統(tǒng)中選用的12 位精密串行輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7611可輸出0～2V的電壓,該電壓值通過誤差放大器控制MOSFET管可輸出0～1A的電流,并且設(shè)置精度可以達到1mA。如需電壓測量精度達到±(0.02%+0.02%FS),其分辨率達到了12位以上,因此使用16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以達到高精度的要求。

3.5 負載調(diào)整率的測試原理

按照負載調(diào)整率的公式,假設(shè)空載時的電源電壓為Vnl,額定功率(1A)時的電源電壓為Vfl。負載調(diào)整率a=(Vnl-Vfl)/Vfl。所以處理器控制負載電流為0A時,測量空載時的電源電壓,然后控制負載電流為1A,再測量額定功率時的電源電壓,采用上述公式即可測出負載調(diào)整率。

4 測試方法與數(shù)據(jù)分析

電壓、電流測量采用安捷倫6位半萬用表 Agilent34461A。

4.1 電流測試

電源電壓10V,在設(shè)置電流的情況下,測量得到實際電流值,測試結(jié)果如表1所示。

表1 電流測試

4.2 電流穩(wěn)定度測試

在設(shè)置固定電流的情況下,測量實際電流值在不同的電壓下的變化值,測試結(jié)果如表2所示。

表2 不同電壓下輸出電流值

4.3 電壓測試

空載情況下,調(diào)整電源電壓,將電子負載測得的電壓與萬用表測試值進行比較,測試結(jié)果如表3所示。

表3 電壓測試

4.4 系統(tǒng)自動測試功能

在10V電源電壓下,調(diào)整輸出電流,并將系統(tǒng)自身顯示測得的電流值與實際萬用表進行比較,測試結(jié)果如表4所示。從表4中可以看到,系統(tǒng)自身測試值與實際測量值誤差小于0.1 mA。

表4 系統(tǒng)自身電流測量與實際值對比

4.5 負載調(diào)整率測量

系統(tǒng)的負載調(diào)整率測試如表5所示。

表5 負載調(diào)整率測量

5 結(jié)束語

系統(tǒng)通過采用高精度電子器件及合理的電路板布線方法,提出了提高輸出電流精度的設(shè)計方法,實現(xiàn)了高精度、轉(zhuǎn)換速度快并且具有過壓保護及自動測量功能的直流電子負載。同時系統(tǒng)采用數(shù)字處理器對取樣電流進行實時控制,提高了反應(yīng)速度,達到了較高精度,并且有較好的動態(tài)特性和靜態(tài)特性。從系統(tǒng)的測試結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn),其電流設(shè)置范圍為100 mA～1000 mA,設(shè)置分辨率小于1 mA,設(shè)置精度為±0.01%;在恒定電流的情況下,電壓變化10 V,電流變化小于變化前電流值的±0.01%;電壓測量精度優(yōu)于±(0.01%+0.01%FS),分辨力小于1 mV。電流測量精度優(yōu)于±(0.1%+0.1%FS),分辨力小于1 mA;系統(tǒng)還具有負載調(diào)整率自動測量功能,測量范圍大于0.1%～19.9%,精度優(yōu)于±1%。另外,系統(tǒng)能夠在電壓超過18.001 V時斷開電源,實現(xiàn)了過壓保護。