基于ARM9TDMI的简易直流电子负载设计

引言

现实生活中负载的形式较为复杂，多为一些动态负载，如：负载消耗的功率是时间的函数;或者负载工作在恒定电流、恒定电阻;负载为瞬时短路负载;以及在仪表测试时，如果想对其输出特性进行可靠、全面且比较简单、快捷的测试等。传统负载不能模拟这些复杂的负载形式，关键在于不能完成自动测试，因此，要实现这些功能离不开电子负载。

目前的电子直流负载由于电路设计和电器元件选择的不完善，导致其不能在较大电流和较高电压下稳定、快速、精确的完成测量任务。本系统采用32位的ARM9TDMI为主控芯片，同时借助外部16位A/D转换芯片ADSlll5的辅助电路，能够保存更多的采样数据，从而减小了采样信号的失真度，实现了稳定快速的实时测量。对硬件电路的设计，采用OP07与IRF640构成的线性恒流源，并采用CSM025A、VSM025A来转换电子负载侧的较高电压和较大电流，减小了在较高电压和较大电流下对电子负载的影响。

1系统方案选择

图1为DA控制的电子负载结构框图。





借助16位模数转换器ADS1115将电压电流回送至单片机。通过DA控制恒流源的电流，借助PID不断修正电流至设定值，以保证电流的恒定且可调，达到步进10mA的要求，并有过压保护功能。在12864液晶上显示实时电压电流值和设定电流值及负载调整率，电子负载具有优良的精度、稳定性和动态响应，并结合精确的软件控制，实现了电源测量的快速和准确。原理简单，可行性高，成本低。

2理论分析与计算

2.1 电子负载及恒流电路的分析

通过16位高精度模数转换器ADSlll5输出电压给恒流源电压转换恒定电流电路，由于运算放大器OP07是精度高、低漂移运算放大器，并且在10欧负载的情况下输出电流能达到2 A。所以采用OP07和IRF640组成的一个Uin。电流串联负反馈来实现电压到电流的转换，具体电路如图2所示。





原理图中OP07与IRF640构成负反馈，由运放的“虚短、虚断”理论，因此MOS管IRF640的S极电位与TLV 5616输入的电压值相等。负载电流为：





IL正比于TLV5616的输出电压，与负载电阻Rw无关。当MOS管IRF640导通后，流过负载电阻Rw的电流Iw=IL。若要求电流能从100mA～1000mA变化，考虑留有一定余量，最大电流为1.5A，当设定DA输出最大电压为1.5 V时：





2.2电压、电流的测量及精度分析

(1)A/D转换器精度分析

为了能实现步进1 mV的高精度要求，采用16位高精度模数转换器ADS1115，能够以高达每秒860个的速度采样数据，精度为1/2^n=1/2^16。

(2)D/A转换器精度分析

为了能实现步进1mA的精度要求，采用12位模数转换器TLV5616，精度可达到1/2^n=1/2^12。

2.3 电源负载调整率的测试原理

直流稳压电源负载调整率是指电源输出电流从零至额定值变化时引起的输出电压变化率。负载调整率可以通过如下方式计算：当电子负载电流为0时，被测电压输入记为U1。在达到额定电流I2(1A)时，被测电压为U2，则电源负载调整率为：


                                
               
3电路与程序设计

3.1恒流源方案设计

该恒流源输出的电流与负载无关，通过使用两块运算放大器构成比较放大环节，功率管构成调整环节，利用晶体管平坦的输出特性和深度的负反馈电路可以得到稳定的恒流输出和高输出阻抗，实现了电压一电流转换。该线性恒流源稳流效果较好。由于回路中会有大电流通过，因此功率问题也要考虑。针对这个问题，本设计选用了耗散功率较大的场效应管IRF640，能承受大电流的康铜丝，保证了器件的安全。

3.2电压电流检测方案

系统所要检测的信号采用霍尔传感器法检测，如被测电源设备向该简易直流电子负载输入的电压，以及流进负载的电流。电压和电流检测分别通过电压霍尔、电流霍尔传感器检测，并经过必要的输出转换电路后转换为检测信号。为了提高系统的抗干扰性，检测信号经过一个低通滤波器滤除噪声，再送入单片机的AD转换器中。其中电流霍尔的原理图如3所示。





电压采样使用电压霍尔传感器VSM025A，其精度为0.7%。电流采样使用电流霍尔传感器CSM025A，其精度为0.5%。选定采样电阻使电压霍尔传感器的输入电压在5～12 V变化时，使送给ADC的电压在1～2.4 V之间变化。选定采样电阻使电流霍尔传感器的输入电流从0.3～3.5 A变化时，送给ADC的电压在0.2～2.4 V之间变化。

3.3 DC-DC转换电路

辅助电源可用线性电源及开关电源芯片，考虑到效率、稳定性、带负载能力，选用稳压芯片如LM2596、TLV2543，MC34063分别将+15 V输入电压稳到+12 V，+5 V，一12 V，+3.3 V以方便ARM9TDMI、CSM025A、VSM025A、ADSlll5、TLV 5616等芯片供电使用，原理图如图4所示。

3.4过压保护电路设计

如图5所示，通过三极管$8050和继电器，蜂鸣器构成简单的过压保护电路。当检测到输入电压大于18 V时，开关器件三极管导通，输人断开，同时声光报警。为保证可靠断开还采用了软件保护法，使得当输入电压大于18 V时，单片机迫使UDAin。输出为0。

3.5程序设计

软件设计中特别为电路的过压保护编写了相应的程序，当负载电压过大时会通过蜂鸣器和发光二极管来实现报警，同时也会自动启动继电器，实现过压保护功能。具体的流程图如图6所示。

4测试方案与测试结果

测试所需仪器：高精度电压表，型号DP59(1)一PDV20;高精度电流表，型号DP59(1)-PAA5;可变电阻Rw以及被测电源。当该设备正常工作时，用高精度电压表，电流分别测试该电子负载的电压、电流。用电压表直接并在被测电源两端，记下相应示数。将电流表串在被测电源和Rw之间，并记录相应电流值。将电压电流值和显示器显示值进行对比。改变Rw电阻值，计算相对应的负载调整率。

4.2测试结果

测试结果如表1、表2所示。

















5 结论

根据表1和表2的测试结果可知：负载的变化对电流的影响很小，说明设计中恒流实现的很好。负载调整率SR不断变化，但都达到≤4%的目标。纹波电流为14mA，基本上达到输出噪声纹波电流≤15mA

的目标。而整机效率为86.7%，达到了整机效率≥80%的目标。由此说明该电子负载的设计方案是可行的，具有优良的精度、稳定性和动态响应，结合精确的软件控制，快速和准确地实现了电源测量。