半开源P100C数控电子负载超小mini版

刀刀杀猪

    为什么说半开源呢？因为仅提供PCB+BOM表+HEX固件。
    心血来潮上论坛看看有没有更好的设计可以参考，貌似还是多年前的样子没有什么创新，干脆发布自己研发的一款数控电子负载。
    P100C数控电子负载项目自2020年10月开始研发，2021年06月正式量产，直至08月停产。因为是个人DIY的玩具，玩一阵子就翻篇了，所以06月至09月主要研发P150C数控电子负载，由P100C升级而来，主要换成了彩屏，目前也已经停产。
    P100C这个型号顾名思义，P功率100W，C恒流型。
    先上主图：

    非常小巧的身材，仅5cm*10cm，半个巴掌大做到了100W的耗散功率，当然，因为部分元器件各位估计是买不到的，比如液晶屏和散热器，都是以前从老王等店铺薅来的，所以大家只能利用PCB源码自行修改板型了，最终效果可能会比我做的大。
    肯定有朋友会质疑这么小的体积散热有没有保证，运行稳定性如何之类的，经过无数次测试，热成像仪实时监控，结论就是超长时间稳定运行无压力，最高温度不超过115℃，商用电子负载肯定不会这么干的，但我们DIY就是要敢于干！破坏性测试约180W附近因散热不良炸管。
    简要参数：
    额定电压100V，无限制；
    额定电流10A，程序限制15A；
    额定耗散功率100W，程序限制120W。
    以下为原来挂在闲鱼卖时的介绍，比较长随便看看即可：
    如此宽范围的量程，精度却依然不减，得益于24bit ADC+内置校准程序，电压（指空载电压）、电流测量误差不超过0.1%，容量mAh计量时误差不超过0.5%，电量Wh计量时误差不超过5%（5A时标定，且被测电源与负载之间直接连接。因为这是2线输入，更大的电流会带来更大的误差）。
    电子负载供电：5V 1A（Type-c接口，最低支持3.7V，也就是可以使用电池供电，最高支持12V，风扇启动后整体功率不超过3W，这个风扇也要看各位用的什么风扇了）
    特别注意：请给电子负载独立供电，不可与被测电源共用，否则会因互相干扰造成不可预知故障（典型案例：不可以用移动电源供电的同时测量该移动电源）。
    电子负载被测电源输入端为KF301 2P端子+Type-c双输入，2P端子额定载流10A，短时间可上15A使用，长时间工作在15A时请将测试线直接焊接在底部焊盘上。Type-c接口最大电流5A，与2P端子并联。
    风扇温控调速，使用的暴力风扇噪音较大，不然压不住100W，内置PID调速和温度保护。
    mos管使用的拆机Fairchild IRFP250（唯一的洋垃圾，毕竟原装正品就是比国产货耐艹），参数是200V 30A。
    时间计量支持到9999:59:59，容量计量到99999.99mAh（100Ah），电量计量到9999.9999Wh（10kWh），内阻测试算是附赠的功能，准确度较差，仅供参考。因为内阻分直流内阻（欧姆内阻）和交流内阻（极化内阻），但我们辨别电池的优劣常用交流内阻标定，所以同时通过大量电池的直流内阻测试和YR1030内阻测试仪测试并统计数据，在直流内阻的基础上经过运算得到一段呈线性的交流内阻，这段线性区域分布在20mΩ~50mΩ范围内，再大或者再小的精度就差远了，毕竟不是专门测内阻的仪表，也就能分辨个电池的一致性。
    操作方法：通过摇杆（五向按键）中键进入设置，左右控制光标移动，上下调整光标所在位的值。长按运行/停止键启动运行，短按运行/停止键暂停测试，双击清零累计数据。容量、电量、时间这三个计量值是不会断电保存的，设定值、校准系数按中键退出时会保存（不退出不保存）。
    故障说明：报【温度过高】、【过流】、【过功率】就是字面上的意思，报【测试中断】有以下几种情况：1、启动电流过大导致电压被拉低，常见于开关电源短路保护，可以先调小电流启动后再逐渐加大，新版本已经增加缓启动功能但不一定完全避免该情况出现；2、设定电流与实际电流偏差过大，如果呈线性偏差可以通过调整系统参数ax校正，如果出现无电流可能是硬件故障可以发回来检测；3、测试过程中被测电源意外被断开。
    该负载在100W满载时散热器表面温度在90℃~100℃左右，使用时请不要触摸散热器，最简单看到风扇启动了就不要触摸了。更不可靠近易燃易爆物体，特别是测量电池时电池不可靠近散热器出风口。控制部分与功率部分有一条槽孔隔热，如果你想将控制部分与功率部分离的更远，或者将功率部分换更大的散热器，可以从槽孔处将PCB掰开成两半，然后刮开线路后自行焊接延长线，这部分没有什么特殊要求，自行DIY即可，不过一旦掰开就恕不保修了。
    另外，去掉功率部分也可以当电压电流表头，精度也是非常高，和我做的高精度表头参数相同，极限量程为400V 40A，建议在100V 20A下使用，当然我想没有谁会买椟还珠吧？
    如果想参考设计也欢迎抄板，毕竟电子负载的硬件原理非常简单，我也只是在此基础之上以我的经验再开发，而我始终坚信用最简单的电路也能实现同样复杂的功能，这一切的核心都在于他的灵魂——也就是程序设计。
    因为体积限制，这款电子负载不提供反接保护，使用前一定注意极性标识，反接时可能会造成mos管烧毁或被测电源短路损坏，若万一损坏，更换同型号mos管即可，一般不会对控制电路造成影响，更换后可能需要重新微调参数（mos管请使用Fairchild的IRFP250A/B，不支持Infineon的IRFP250N）。

    另外提供DIY升级方案：
    可以外挂运放做差分转单端电路升级4线输入，测量放电时的电压和电量计量精度更高，对电流和容量计量无影响。（注意：该ADC可以直接改四线差分输入，在P150C上就是直接改的，有空再细说，实际上日常测量没必要用四线）
    可以更换更大的LCD液晶屏，兼容ST7567控制器的串口屏（不建议使用ST7565R，因为页地址不同会导致显示错行），PCB上提供引脚定义自行飞线连接即可。
    可以外挂防反接二极管，推荐用TO-247或220之类的大管并做好散热，效果最好的还是用mos管做防反接，不过需要程序和电路支持所以这里不适用，另有同步整流二极管有兴趣可以了解一下。
    可以更换更大功率MOS管和大散热器，更大功率的采样电阻。
    同时可以外挂PWM转模拟的PAC芯片驱动更加暴力的风扇或者直接改CPU风扇PWM控制驱动，可以减少风扇启动对系统的干扰（目前该设计风扇启动时有轻微干扰）。



    背面元器件布局设计和显示界面说明：



    背面元器件布局设计：（左边两个是设计时的炮灰，最终设计为第三个）



    给一个动力电池15A放电：



    后来还嫖了白色的板子和嘉立创出的紫色板子，不超过10cm的尺寸上哪都能免费做。
    是否略有心动？那么问题来了，DIY难度如何呢？
    主要元件也就是主控MCU为STC8H1K17，也就是说你必须会STC单片机的程序下载，别的呢？别的照抄即可。
    开个玩笑，还有最重要的就是显示屏了，相信大家看着这个屏就头疼：“我没有啊！”，但是，屏幕控制器为ST7567（特别注意不兼容ST7565，因为两者页地址不同会导致显示错行），ST7567是非常常见的控制器，只要控制器是ST7567且为SPI串行协议通信的12864液晶屏均兼容！板子上已经标注了引脚定义，按图索骥即可。再者就是功率耗散用的MOSFET场效应管了，这里只能使用Fairchild仙童的IRFP250A/B，该型号只有原装拆机，某宝搜索购买即可。别想着用什么Infineon英飞凌之类的代替，不说假货成堆，就算是正品也不好用，原因就留给想折腾的朋友自行分析了。
    其他重要元器件：HLW8110，无可替代，实际是个电能计量芯片，然而当ADC用非常好用。TP09-SR，兼容LM358A的运放，暂未测试别的替代品，但别用LM358A代替。R001合金电阻，用作电流采样，1W的就行，可以载流20A不怎么发热。SE8550和SE8533，5.0V的LDO和3.3V的LDO各一个，可以用类似LDO代替，比如合泰HT73xx，微盟ME62xx之类的，输入7V耐压，电流大于50mA即可。SX1308，不必多说，常见的升压芯片，两组升压，所以还需要两个4R7电感和SS14肖特基，用于散热风扇PWM驱动的三极管B772和J3Y（S8050），别的基本全是阻容请参考BOM，这部分元器件均可以在某宝采买到。
    若以上标红的元器件搞到有难度建议不要入坑。

    最后放一下P150C的图片，有缘再发帖介绍，使用P150C固件是需要付费注册的，真金白银，P100C就让大家直接嫖了。实在是懒得水贴，发个帖子花了近3小时，有这功夫吃个串不香吗，所以，收点M币聊以慰藉了。
    P150C主图：



    正面元器件布局设计：


    背面元器件布局设计：


    最后肯定不能装完逼就跑，留下P100C资料：
    固件更新网址：http://s.cnwans.com/p100cSoft，长期有效，有重大BUG才会更新，小毛病不影响。    有建设性问题可回帖询问，有缘见到会回答，非必要的就不要灌水了懒得看。
   





补充内容 (2022-1-20 22:17):
2022.01.20注：液晶屏引脚定义应该由CS RST A0 SCL SDA改为SDA SCL A0 RST CS，这个问题竟然错了整整一年，导致很多DIY玩家用自己的屏无法正常显示，自我批判中

胡奚曷

做的不错，单色屏是12864吗，碰巧我有同款

azzajazz

谢谢分享。我买了盘成150w的负载，他貌似没有公开资料。我想改大功率也改不了。:mad:

kaixi_ants

楼主做的挺不错的。
理想的电子负载不应该靠mos耗散功率，我一直想自己做一套，简单原理就是pwm降压驱动灯泡，这样散热容易解决，mos容易选，功率也容易上去。

刀刀杀猪

kaixi_ants 发表于 2021-9-10 23:36
楼主做的挺不错的。
理想的电子负载不应该靠mos耗散功率，我一直想自己做一套，简单原理就是pwm降压驱动灯 ...

个人认为用阻性元件作为负载时散热方面没有给MOS管装散热器散热方便。如果用PWM直接驱动MOS管开关然后外接阻性负载也是可行的，但是闭环控制不大好做，放弃了。

aec

azzajazz 发表于 2021-9-10 23:22
谢谢分享。我买了盘成150w的负载，他貌似没有公开资料。我想改大功率也改不了。 ...

原来论坛有人卖过这个负载的资料文件，里面好像有源码。

ksj197706

顶一个，已入p150，等发货，别忘了ut61e背光板

刀刀杀猪

ksj197706 发表于 2021-9-11 07:15
顶一个，已入p150，等发货，别忘了ut61e背光板

感谢支持，不会忘的

ploestar

kaixi_ants 发表于 2021-9-10 23:36
楼主做的挺不错的。
理想的电子负载不应该靠mos耗散功率，我一直想自己做一套，简单原理就是pwm降压驱动灯 ...

记得有人用电炉丝做过

兜里有棒棒糖

看着不错呢！

love茹茹

发现晚了  买不到了

acyrno

给电池放电用 应该没问题

cbng

支持。另外问一下，P100C有截止电压设置吗

刀刀杀猪

cbng 发表于 2021-9-11 16:34
支持。另外问一下，P100C有截止电压设置吗

有的，图上有说明

刀刀杀猪

胡奚曷 发表于 2021-9-10 23:18
做的不错，单色屏是12864吗，碰巧我有同款

是的，12864，主要是控制器要求是st7567

cbng

屏是5v还是3.3v，

2n3055

单管用来100W有点小吧，100W功率，即便TO-247的管子，至少也得3个并联才好

beluga98

搞不太明白这种电子负载为啥全部功率耗散要拿MOS管硬扛啊，这个说白了就是一个可控功率的假负载，晶体管应该负责电流控制，功率应该消耗在外部的负载电阻上面，其实闭环控制是一样的，结构比这个复杂一些（我们之前接触过给机柜、液冷式服务器冷却池做热负荷和电力负荷的那种假负载，一个模块1~4KW，全机柜下来风冷的20~40KW，液冷池总体1000KW以上了，模拟最大热负荷用的，那种完全是外部电阻），以前在实验室启动过一个20KW的假负载，备用发电系统测试用的，那个开起来是真暖和（20台电暖器一起开）。也许就这种几百瓦以内的用功率管硬扛吧，这个除了结构简单，其实真心没必要MOS硬扛

cbng

beluga98 发表于 2021-9-12 07:51
搞不太明白这种电子负载为啥全部功率耗散要拿MOS管硬扛啊，这个说白了就是一个可控功率的假负载，晶体管应 ...

这种DIY的东西就是要求简单稳定，再说功率又不大，整那么复杂干嘛

beluga98

cbng 发表于 2021-9-12 09:55
这种DIY的东西就是要求简单稳定，再说功率又不大，整那么复杂干嘛

可能接触的东西不一样吧，工业级的搞多了，潜意识里稳定性很重要的，另外还有一点，如果是灯泡、外部电阻作为负载，即便失控，最多就是全功率运行了，及时关闭就行，或者换句话说保护系统动作的时间很充裕。而直接mos管做负载，一旦管子击穿或者程序异常，就会发生短路，安全区间大大减小。以上仅是个人意见，欢迎交流讨论