本帖最后由 QT-AM 于 2022-10-8 11:30 编辑
电子负载的原理与应用
在一般的系统中，电源（包括电池）能否保持稳定供电是极其重要的。因此，要花很长的时间进行电源评测。
测试时，让电源连接什么样的负载就成了一个问题。
没有负载，就无法进行电源评测。
用实际负载（如电机）进行电源评测也不合理。
因此为了自动进行电源测试，常使用电子负载。
电子负载的种类很多，有直流电源用、交流电源用、 蓄电池用等。
这里，我们将对这些电子负载进行说明。
电源和负载在系统开发中，电源的评估很重要。 众所周知，随着电子技术的进步，电子设备的功能标准也变得复杂， 在设计和开发过程中要进行各种各样的测试。 而且，近来不仅要求功能，还要求低功耗化和高效率化。 迄今为止，在看不见的地方供电的电源部分,它们的作用也变得越来越重要。 在系统开发方面，电源评测也是必须进行的项目。 在 EV 等使用电池 驱动的情况下，电源部分的评测非常重要。
电源和负载 为用电部分供电是电源（AC / DC 电源和电池）的功能。 一般来说，与它们相连并接受其供电的部分被称为负载。 如驱动电机的电源，它的负载是电机； 为了点亮照明器具而使用的电源，它的负载就是照明器具（图 1）。 
图1
负载是耗电设备
如果电源不能稳定地向负载供电，系统就无法正常工作，或出现故障、起火等情况。 当然，要避免使用供电能力过剩的电源。 就拿节能 EV 制作来 说，对电源的要求当然是尽量小型化、轻型化和低成本化。 负载是变动的 既有几乎稳定不变的负载，也有变化很大的负 载。
在图 1 所示的例子中，台灯的负载几乎不怎么 变动，而电机的负载变化很大。 如 EV 电机，载重量比较大或者爬陡坡时，电机的负载就会变大。 负载增大，意味着需要更大的 功率。 像这样根据电机的用途，判断在什么情况下 会出现很大的负载变化，是很容易的。
计算机的负载变化也很大。 高精度、高速运算时，电源负载会变大。 其内部数字电路进行着高速 切换，这样就会耗电。 现在的计算机中，搭载了可以观察 CPU 负载变化的监视器，相信许多人都见过。 CPU 负载并不等于电源负载，但在某种程度上是成比例的。
电源的评测
如前所述，电源的负载是经常变化的。电源能否承受这样的负载变化，要评测后才知道。 但是， 仅对电源部分进行测试是没有意义的，如果没有负载，电源就无法进行供电，没有电流输出。 进行电源测试时，必须准备好负载。 如图 1 所示，按照实际用途，实际运行时与电源连接的对象称为实际负载。 进行电源测试时，也存在实际负载还没制作完成的情况，为电源测试准备数台同样的实际负载没有意义。 于是，与实际负荷对应的就称为模拟负载。 对于电源，就是与实际负载相当的模拟设备。
本文介 绍的电子负载，就属于模拟负载的一种。
电子负载概要
为何不使用实际负载，而使用模拟负载？ 前面提过，在电源测试中使用实际负载是没有意义的。 那么，为什么连接实际负载是不可取的呢？ 包括电流在内的诸多测试条件是固定的，难以根据不同条件变更。 正如前面所述，实际的负载状态会根据工作条 件发生较大的变化，但改变实际的测试条件是非常 困难的。 不能对测试条件或结果进行定量设定或测量准备数量充足的具有某种再现性条件的实际负 载，也是不现实的。 因为实际负载的老化，有可能出现不能满足 测试条件的状态 实际负载会发生老化。 与一年前相比，实际负 载的当前特性已经发生了变化。 这一点是一定要考 虑到的。 基于此理由，测试时不使用实际负载，而是使用作为模拟负载的电阻负载和电子负载。 另外，使 用计算机等通信设备控制自动化测试时，使用电子负载更方便。
电阻负载及其限制
在某种模式下对作为模拟负载的电阻负载与电 子负载进行比较，得到的结果如图 2 所示。
 图2
电阻负载是指，在（直流）电源上，设置的一个具有某电阻值的电阻器，根据欧姆定律决定电流值。
如果是负载保持不变的电源，这也许就足够了。但是，实际上几乎不存在负载稳定不变的情形。 即使电源是直流电，在实际负载内部也有很多是依赖交流电工作的。 当交流电路中存在电感（线圈）产生的感应电压时，电流会瞬时发生变化。
负载为电机时，其变化表现得很明显。不能因为是瞬时变化就忽视，短时间内多次发生也会给电源带来损害。 即使是数字电路，进行多位 / 高精度的高速运 算，工作电流瞬时就会出现相当大的变动。 这样， 数字电路高速运行时，与高速模拟交流电路一样会 出现很大的振荡。 因此，考虑到这样的负载变化也非常重要。 即使是瞬时变化，我们也想确认电源是否在稳定供电。 电阻负载很难适应这一要求。于是，我们 想到了电子负载。
何谓电子负载？
用一句话来说，电子负载是与被测试电源的输出端相连，并模拟与该电源连接的负载的性能，以高效地进行电源性能测试的设备。 这里所说的电源是指直流电源、交流电源，或者电池，以及太阳能 电池和发电机等可以供电的所有电压源。 使用电子负载，可以很快将电源输出电流设定为任意值。 与电阻负载等不同，电子负载可以产生与实际负载工作状态相同的变动的电流。 可以应对 各种各样的测试（图 3）。
电子负载的种类 正如图 3 所示，即使是电子负载，也要根据与 其连接的电源，分别准备直流 / 交流两种类型。  图3
实 际上，根据电源种类的不同，存在多种电子负载， 如恒定电流电子负载，恒定电压电子负载等。
直流电子负载
输出直流的开关电源和电池等的测试使用的电子负 载，有设定电流值的恒定电流模式，也有可以设定电阻 值的恒定电阻模式等。它们一般都具有多种设定模式。 图4
（1）恒定电流模式：电压变化，但电流恒定不变 当电子负载的端子电压发生变化时，电流也以 恒定值输出，如图 4（a）所示。 这种模拟负载模 式，在开关电源等电源的测试中被广泛使用。
（2）恒定电阻模式：输出与电压成比例的电流 与实际电阻一样，输出与负载端子电压成比例 的电流，如图 4（b）所示。 因为具有与电阻器同样 的特性，所以适用于模拟一般的负载。 另外，实际设定的并不是电阻值，而是电阻值 的倒数 S（西门子）。
（3）恒定电压模式：保持恒定电压的电流输出 保持电源侧的输出电压恒定，控制负载电流变 化，如图 4（c）所示。
它适用于充电电池等的充电 器的测试。
（4）恒定功率模式：保持恒定功率的电流输出 保持电子负载的消耗功率恒定，控制负载电流 变化，如图 4（d）所示。
交流电子负载
直流电子负载不能在交流电源中使用 交流电子负载是与直流电子负载相对的，用于交流电源和发电机等的测试。 不言而喻，交流与直流不同。 在一定的周期内，交流电的电流方向（极 性）会发生改变，直流电子负载是不适用的。 从市电（50/60Hz），到飞机等使用的 400 Hz 电 力的电源测试中，都可以使用交流电子负载，而直流电子负载不具备这样的功能。
相位偏移的设定
交流的情况下，与电源连接的实际负载的种类 不同，会受到图 5 所示的电流波形的影响。  图5
我们在高中物理中学过， 如果连接的是电机等感性负载（线圈 / 电感类），电流相位滞后于电压； 如果连接的是电容器等容性负载，这样的相位偏移会造成 功率因数（PF）下降。 因此，使用交流电子负载来实 施这类电源的测试时，要设定电流相位超前或滞后。 在交流电子负载中，也有能够设定功率因数的 类型，通过设定功率因数的增大或减小，可以进行 电流相位超前或滞后的设定。
峰值因数的设定
另外，交流用电子负载特有的功能是电流峰值 因数（CF）设定（图 6）。  图6
CF 是 Crest Factor 的缩 写，是峰值和有效值的比值：峰值因数
CF = 峰值 ÷ 有效值
如果是直流，峰值因数为 1。 如果是正弦波， 峰值因数为 1.41。 所谓的感性负载，是感性阻抗＞容性阻抗的负 载。 容性负载是容性阻抗＞感性阻抗的负载。
高速响应电子负载
向包括计算机在内的内置 CPU 的设备供电的电 源（POL 转换器等），要承受伴随 CPU 等高速运行而上下急剧变化的电流。 在测试这类电源时，需使用能快速改变电流的负载。 在这种情况下，电阻负载和通用电子负载很难高速地改变电流，要使用高速响应电子负载。 另外，高速器件的工作电压连年低压化，要使 用 0.8 V 等低电压就能运行的低压电子负载。 负载电流高速变化时，不仅要考虑静态电压下降，也要考虑动态电压下降（图 7）。  图7
这是因为，伴随电流突变产生的负载电缆的电感，也是不能忽视 的。 这就需要使用最短的低电感电缆。
第一部分 市电输入及电源
市电从后面板电源插座B10处引入，经过电源插座采用台湾PRONIC进口电源插座PST-101F-S二合一带保险插座3脚15A/250V，经过切换开关B9配合J10，J4，K1完成线性变压器T1的110V/220V切换。
220VAC输入时，B9-2PIN连接B9-1PIN，B9-5PIN连接B9-6PIN，230-红色悬空，蓝连接黑，黄色-ACL，红色-CAN；J11_2PIN连接B9_5PIN连接B9_6PIN连接J11_3PIN，于是，J11_2PIN连接到J11_3PIN，变压器两个110VAC绕组串联在一起构成T1在220VAC情况下的输入侧。 110VAC输入时，B9-2PIN连接B9-3PIN，B9-5PIN连接B9-4PIN，J11_1PIN连接B9_2PIN连接B9_3PIN再连接J11_3PIN，J11_2PIN连接B9_5PIN连接B9-4PIN再连接J11_4PIN，于是，J11_1PIN连接J11_3PIN，J11_2PIN连接J11_2PIN，变压器两个110VAC绕组并联在一起构成T1在110VAC情况下的输入侧。
变压器HY8500-T20总功率20W，初级两个绕组，110VAC时并联，220VAC时串联。 变压器输入线采用AWG20，CH3.96-4Y胶壳；变压器输出线采用AWG22，KF2510-7Y胶壳；胶壳的连线与插座形成各自相对应。 变压器总功率=13V×0.15A×2+6V×0.45A+15V×0.85A=19.35W 变压器总功率=13V×0.15A×2+6V×0.3A+15V×1A=20.7W
+15V0.85A绕组作为数字部分电源，驱动前面板(液晶)，风扇和继电器； +15V0.85A绕组经过RC1整流桥KB308输出REC15V，实际输出电压为16.3V左右； REC15V经过J2输送到前面板，作为前面板及液晶的驱动电源，前面板液晶电流20mA； REC15V经过U5 7812产生D12V，驱动继电器U2、U3和U6 G6S-2-12V，每只驱动电流12mA，蜂鸣器B1驱动电流最大30mA；
REC15V经过整流单元产生风扇驱动电源Volt_FAN(12V)，两只风扇RCD6025H12B12V0.25A；
6V0.45A绕组经过整流桥RC2 KBP308产生E6.5V，再经过LM2940CT-5.0V产生E5V，再经过AMS1117-3.3产生E3.3V。本绕组主要负责驱动RS232通信、输入输出IO接口和一组5V200mA的隔离电源输出。
模拟部分电源 包括±12VA和A5V， ±12VA供电专用绕组供电，其中运算放大器MC34074D负责驱动MOS管，为限制其输出电路，在电源上加入了100Ω的限流电阻；A5V由数字D5V经过1Ω产生，供给ADC和DAC及CC-CV切换开关CD4053B；
数字部分电源 包括REC15V、D12V、D5V、D3.3V、E5V和E3.3V， REC15V供给前面板上的开关电源，为减少串扰和主板数字部分单点接地； REC15V供给风扇，风扇控制电路并入数字部分，采用D3.3V给TIP41C供电实现温度检测，采用D5V给LM358供电，风扇供电采用搭建的线性可调节电源，并入数字部分； D12V供给继电器和蜂鸣器，它们属于功率电路并入数字部分； D5V和D3.3V均有线性调整管产生，供给MCU、I2C和SPI FLASH； E5V和E3.3V供给对外接口，包括RS232通信、HANDLER接口及一组5V200mA的隔离电源输出。
第二部分 模拟电路
DAC部分：AD5541A 16bit DAC TSSOP10 电流细度：3A @0.05mA，30A @0.5mA；电流DAC细度为60000个字，需要16bit的DAC，AD5541A是16bit的DAC满足需要。 电压细度：15V@0.2mV，150V @2mV；电压DAC的细度为75000个字，需要17bit=131072的DAC，AD5541A是16bit的DAC不满足需要。 50V @0.5mV，500V @5mV；电压DAC的细度为10000个字，需要17bit=131072的DAC，AD5541A是16bit的DAC不满足需要。
AD5541ARMZ是16bit DAC，基准电压为2.5VREF，时钟18MHz，启动定时器TIM5_CH3向上计数模式触发SPI端口 DMA功能，DMA传输采用单次模式，每2us送一次DAC控制字； DAC的VOUT引脚输出电压：DA=2.5Dx/65536； 经过U17 AD8676进行同相放大，放大倍数为2倍，同时添加适当的负偏置电压后，在TP2端输出电压为DA_OUT：DA_OUT=5.05Dx/65536-0.036； 偏置电压为：DA_BIAS=2.5V×10k÷680k=-0.036V=-36mV。 CC模式时，在OFF状态下，AD5541A的赋值为0X0000，DA_OUT=-36mV，保证MOS管处于截止状态；这就是此处提供负偏置电压的作用。 CC模式时，在OFF状态下，AD5541A的赋值为0XFFFF，DA_OUT=5V，保证MOS管处于截止状态； CC模式： 电流高量程： RS=0.02，N=2，k=1 高量程的电流DAC系数为：KIHDA=0.06725 当满量程30A时，DA=30×0.06725=2.0175V DAC的数字占用率为：q=2.0175V/2.4999V*100%=80.7% 电流低量程： RS=0.02，N=2，k=10 高量程的电流DAC系数为：KILDA=0.6725 当满量程3A时，DA=30×0.6725=2.0175V DAC的数字占用率为：q=2.0175V/2.4999V*100%=80.7%
电流高量程： RS=0.02，N=4，k=1 高量程的电流DAC系数为：KIHDA=0.033625 当满量程60A时，DA=60×0.033625=2.0175V DAC的数字占用率为：q=2.0175V/2.4999V*100%=80.7% 电流低量程： RS=0.02，N=4，k=10 高量程的电流DAC系数为：KILDA=0.33625 当满量程6A时，DA=6×0.33625=2.0175V DAC的数字占用率为：q=2.0175V/2.4999V*100%=80.7%
ADC部分：AD7655ASTZ 500kSPS 16bit AD7655的DMA操作基本时序：
| AD7655ASTZ通道选择控制 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | MCU的PB2引脚：A0 实际一直为高电平，即A0=1 | MCU的定时器TIM3输出到引脚PB1，控制ADC的A/Bn引脚 | MCU的PB0引脚：AD-CNVSTn，下降沿启动ADC转换 | | MCU 的D组GPIO端口寄存器作为ADC数据[D0..D15]的输入处 | 定时器TIM3_CH4配置成中央对齐（向上/向下）模式，触发D端口数据DMA，DMA传输采用单次模式，每2us获取一次电压和电流数据 |
只需保证两次电流采样和两次电压采样的时间间隔各为2uS。
电流量程分辨率：3A@0.01A，30A@0.1mA；电流分辨率为300,000个字，三十万个字，需要至少19bit=524,288的ADC，实际AD7655仅有16bit，所以必须采用过采样ADC技术来提高ADC的分辨率。电流ADC提升到19bit，需要 4*4*4=64 个16bit数据相加，然后右移3位。
电压量程分辨率：15V@0.1mV，150V@1mV ；电压分辨率为150,000个字，三十万个字，需要至少18bit的ADC，18bit=26214，所以必须采用过采样ADC技术来提高ADC的分辨率。电压ADC提升到20bit，需要 个16bit数据相加，然后右移2位。
电流ADC： 电流30A情况下： RS=0.02，N=2，k=13.41 KIHAD=7.457121 ADC的数字占用率为：q=4.023V/4.9999V*100%=80.5%
电流3A情况下： RS=0.02，N=2，k=134.1 I=0.7457121AD KILAD=0.7457121 ADC的数字占用率为：q=4.023V/4.9999V*100%=80.5%
电流60A情况下： RS=0.02，N=4，k=13.41 I=14.914243AD KIHAD= 14.914243 ADC的数字占用率为：q=4.023V/4.9999V*100%=80.5%
电流6A情况下： RS=0.02，N=4，k=134.1 I=1.4914243AD KILAD=1.4914243 ADC的数字占用率为：q=4.023V/4.9999V*100%=80.5%
电压ADC： 电压在15V情况下： KVLAD =3.3003300 ADC的数字占用率为：q=4.5V/4.9999V*100%=90.9%
电压在150V情况下： KVHAD =33.3003300 ADC的数字占用率为：q=4.5V/4.9999V*100%=90.9%
电压在50V情况下： KVLAD =10.957095 ADC的数字占用率为：q=4.56V/4.9999V*100%=91.26%
电压在500V情况下： KVHAD =110.557095 ADC的数字占用率为：q= 4.5225V/4.9999V*100%=90.45%
CV模式下的DAC计算：
CV 模式下，CV Loop Speed选择： GPIO端口选择开漏输出模式，外部通过10k电阻上拉到+12VA电源电压，因为此处需要CD4053模拟开关输出12V左右的电压。
温度采样部分:
| 由上表可知：25℃-0.65V，150℃-0.4V， 温度每上升1℃，Vbe约减小2mV*2
| | 温度 | | | | | 25℃ | | | | | 30℃ | | | | | 35℃ | | | | | 40℃ | | | | | 45℃ | | | | | 50℃ | | | | | 55℃ | | | | | 60℃ | | | | | 65℃ | | | | | 70℃ | | | | | 75℃ | | | | | 80℃ | | | | | 85℃ | | | | | 90℃ | | | | | 95℃ | | | |
功率单元IRFP250N MOS：
每只MOS管分配的最大电流7.5A ； 限流电阻的阻值选择为0.1Ω/10W， 每只限流电阻上的最大功率值 ， 定制10W水泥电阻；因为当总电流变成原来的一半，即为3.75A，每只限流电阻的功率仅为原功率值的 ，所以可以选择0.1Ω/5W。 限流电阻选择50mΩ，则每只限流电阻上的最大功率 ，定制7W的水泥电阻。
锰铜丝采样电阻 ，锰铜丝直径3.0mm，可承受最大电流25A， 每只锰铜丝采样电阻分配的最大电流为15A， 每只锰铜丝的阻值为20mΩ， 每只锰铜丝承受的最大功率为 P=UI= 4.5W 锰铜丝取样电阻两端的最大电压为0.3V
风扇及散热处理：
仪器外形规格，宽高深(mm)： 214*88*360 ，体积为：6000cm³。
采用2只散热器，散热器规格: ,散热器体积功率密度0.43W/cm³，体积功率密度小于 ，符合强制风冷散热的基本规范。 2只散热器的有效翅片面积为0.398㎡，散热器的基本面积功率密度 0.75kW/㎡，散热器的面积功率密度小于 1kW/㎡，符合强制风冷散热的基本规范。
强迫风冷采用单只风扇推送风方式； 风扇是SUNON三洋产品，风扇规格：62*62*25：DC12V0.96W 型号：台湾建准的散热风扇MF60251V1-1000C-A99 轴流风扇
300W的功率，60A的电流，采用8只IRFP250N，TO247封装，每个散热器上4只； 散热片采用蓝色导热硅胶片，规格20*25mm，厚度0.15mm，孔径3 mm，导热系数1.3W/m·K；每只MOS管分配最大的功率值： ； 基本温升可以控制在45℃，
第三部分 数字电路主MCU：STM32F103VET6
UART通讯：
Handler接口：
| 
IP归属地
雷达卡
发表于 2022-10-3 18:01:25
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千斤顶
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