简易数控直流电子负载设计原理的分析

设计，系统可以实现，恒压、恒流、横阻三种模式的数控切换。如图所示，系统采用IRF3205低导通电阻NMOS管作为功率消耗部分，通过控制功率MOS管使其工作在线性工作区，就可以实现电源输出功率的动态可控，从而实现恒定输出，计算并测量出各项参数值。在本设计中采用的是并联四个功率MOS管，以提高系统可承受的最大功率，使电子负载的测量范围更广，系统将每个IRF3205的栅极接上了一个泄放电阻，用来降低由栅极寄生容感和接线电感所形成的谐振回路的Q值，使其不发生振荡，同时在PCB布线时泄放电阻与栅极间的连线应也当要尽量短；其实对于这个栅极电阻的取值是要综合考虑的，毕竟电子线路中为了换取到部分性能往往是要付出一定代价的，栅极泄放电阻通常取值5～20欧便足够了，本系统经实验证明取值10欧即可。

同时本设计选用0.1欧/2瓦的采样电阻，所以最大恒流输出不超过4.5安，IRF3205的持续漏极电流为80A、最大耗散功率为200瓦，所以正常情况下系统是可以稳定工作的。

同时本系统为了实现对三种模式的数控切换功能，采用了八选一数字控制模拟开关CD4051。该芯片由四个控制端来决定通道的选择，以实现对后级功率管的控制使系统恒定输出，三个二进制控制输入端，A、B、C，一个禁止端EN，将A、B、C三个控制端接到MCU的三个输出端口，EN接低电平：若MCU输出CBA=000，则选通X0通道，实现被测电源的恒阻模式输出；若MCU输出CBA=001，则选通X1通道，实现被测电源的恒压模式输出；若MCU输出CBA=010，则选通X2通道，实现被测电源的恒流模式输出。

恒阻模式输出要求被测电源的输出电压和电流呈线性关系，首先MCU输出CBA=000，使电子开关选通恒阻模式；通过运算放大器U2使采样电阻上的导通电流随输入电压的变化而变化，从而使之恒阻输出。例如输入信号Uin=A*sin（w*t +φ），调节滑动变阻器R1使运算放大器U2的同向端输入电压为U+=θ%*Uin ，则流过功率管和采样电阻的输入电流为Iin= U-/0.1，所以Uin/Iin=10/θ% 。

恒压模式即通过DAC输出待定的电压值，与采样电压值进行比较控制功率管的线性导通程度，使采样电阻端的电压保持恒定，首先MCU输出CBA=001，使电子开关选通恒压模式，运算放大器U5的同向端接DAC的输出值，反向端接反馈电压值，当反馈电压值大于DAC设定值时，运算放大器U5会输出低电平，减小功率管的导通程度，使得反馈电压减小，若反馈电压过小，小于设定电压，则运算放大器U5会输出高电平，加大功率管的导通程度，始终使采样电阻端的电压维持在一个动态恒定的范围内，实现恒压输出。

至于恒流模式，其实与恒压模式没有太大的区别，无非就是改变采样电阻两端的电压，从而控制流过采样电阻的电流，首先还是MCU输出CBA=001，使电子开关选通恒流模式，运算放大器U4同向端接DAC的输出设定值，运算放大器U4反向端接经过一级放大电路放大的电流反馈信号，这主要是因为DAC输出的设定值根本无法达到很大的动态范围，所以为了达到小电流的输出必须要将反馈信号进行必要的放大处理，若是要达到大电流的输出就得将DAC的输出设定值进行必要的放大处理，当然也是可以将反馈信号进行一定的衰减处理的，只不过小信号的衰减会使误差放大，所以为了提高精度最好还是将DAC的输出设定值进行必要的放大处理比较好，其具体设计必须依照设计要求而言，不可一味照搬，本设计系统重视测量小电流恒流输出，故而是将反馈信号进行放大10倍处理的。

同时电路设计中还带有硬件过压保护电路，如图所示，通过R24和R25将输入信号进行分压之后接到运算放大器U8的同向端，同时运算放大器U8的反向端接DAC的过压设定输出，当输入电压大于设定的过压保护值时运算放大器U8就会输出一个高电平，控制晶闸管Q1的栅极，使晶闸管导通到地，从而拉低功率管的控制信号，使得功率管等效开路，此时系统过压保护完全开启，并且栅极信号会锁存住，不会因U8输出一个低电平而截至，只有当电源复位，晶闸管Q1回路的电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管才关断，系统才能从新开始正常工作。

结束语：对于一个电子负载而言，这些就已经基本足够了；相较于市场上那些高价的电子负载仪而言无非是封装好看一些罢了，具体到实际也就是这样的，除此之外，其实我们还可以在控制程序上动动文章的，以求达到更好的效果，例如，增加软件PI调节这可以使得输出更为恒定，在恒流模式下也可以加上软件的过流保护功能等等，再次也就不一一详尽举例说明了，大家可自由发挥的。

参考文献

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[3]宋亚明.浅析现代电子负载系统方案设计[J].信息科技，2011.

[4]朱金刚.智能电子负载的设计[J].实验技术与管理，2006.

作者单位

武昌工学院信息工程学院 湖北省武汉市 430065

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