分析一下150W直流恒流数控电子负载PX-100

jf201006

值中华人民共和国成立77周年之际，发一帖，以传递爱国情怀与美好祝愿：
七十七载峥嵘岁月，山河无恙国泰民安。
愿伟大祖国繁荣昌盛，中华儿女幸福安康！

本帖的电子负载仪是通过坛友@不长叶子的树 买的，原生坛友@农村小伙 有拆机的帖子。
也是拆开清灰，顺便看看电路。
本帖分四部分：
一、拆解清灰
二、功能原理及电路参数
三、实测数据波形
四、通信协议
五、超压测量的测试

一、拆解清灰
收到的仪表

根据@农村小伙 的教程，先拆风扇

再拆下1602的LCD

清理灰尘后的主板

反面光溜溜

主要元件在主板下部

主板上部是功率元件和接口

主要元件型号


二、功能原理及电路参数
这是一台基于STC8A8K64S4A12单片机的程控直流电子负载，核心功能为恒流放电。
系统采用“模拟硬件闭环恒流+数字测量监控”的混合架构：
恒流调节完全由LM358运放构成的模拟负反馈环路完成，响应速度快且不依赖单片机运行状态；
单片机仅负责输出PWM设定值、读取采样数据、人机交互和保护逻辑。
电路如下

系统电源、功率主回路、恒流控制环路、采样测量、MCU主控与人机交互、保护与辅助电路等组成，
功能框图如下

各部分功能分析：
（一）系统电源部分


外部DC适配器通过J1输入+12V电压。
D1为防反接二极管，防止电源正负极接反烧毁后级电路；
D2（SMBJ13）为TVS瞬态抑制二极管，用于吸收输入浪涌和尖峰电压，保护后级器件。
U1（CJ78L05）三端稳压器将+12V稳压为+5V，为单片机、LCD1602、ADS1110数字/模拟电路供电。
LM358运算放大器直接使用+12V单电源供电，以获得更大的输出摆幅和MOS管驱动能力。

R6、R7在(A-)点偏置产生电路：
+5V经过R6(464Ω)、R7(0.500Ω)分压，被测端口(A-)对地得到基底电压：
V(A-)=5×R7/(R6+R7)=5×0.5464+0.5≈5.382mV
作用是：ADS1110单电源差分输入引脚对地不能低于0.2V；
零电流时采样电阻RS两端压差为0V，(A-)抬升到5.382mV，
保证ADS1110的IN+、IN-始终为正电位，防止负压造成采样出错、芯片损坏。
ADS1110为差分测量，该5.382mV属于共模电压，电压、电流测量不受该偏置影响。
注意：LM358闭环为单端对地采样，因此该5.382mV会进入运放反相输入端，参与闭环控制方程。
MCU的P1.3引脚接(A-)节点，读取该电压用于硬件状态校验。
（二）功率主回路

CN1为被测电源输入接口，A+、A-分别接待测电源正负极。
被测电流依次流过：反向保护二极管D4（MBRB20100CT肖特基）→功率MOS管Q2（IRFP260N）→电流采样电阻RS（0.018Ω）→CN1(A-)。
A-不是电路板系统地，对地电位5.382mV。
Q2(IRFP260N)是N沟道功率MOSFET，作为电子负载的核心泄放管，
通过改变其导通程度来控制吸收电流大小。
D4肖特基二极管用于反向保护，防止被测电源反接时烧毁MOS管。
RS为电流采样电阻，负载电流流过时，RS两端压差：
(Vrs=Iload×0.018)。
RS上端(A-)点对地电位：
Vrs_top=V(A-) + Iload×RS=0.005382+0.018×Iload
（三）恒流控制环路（LM358）

恒流控制环路是整个电子负载的核心，完全由模拟电路实现，不经过单片机。其工作流程如下：
1、PWM转模拟电压
单片机P2.0引脚输出数字PWM信号，经过R21/R20/C9/C10构成的二阶RC低通滤波器，平滑为直流模拟电压。
二阶RC截止频率约为：
fc=1/(2π×R×C)≈1/(2π×10kΩ×0.1μF)≈159Hz
因此PWM频率应远大于159Hz，一般PWM的频率都大于2kHz，以保证滤波后纹波足够小。
R20为拉电阻，保证PWM占空比为0时将输出拉至接近0V。
2、电压跟随缓冲
U2.2(LM358的一半)接成电压跟随器（同相输入、输出直接接反相输入），作用是阻抗变换。
二阶RC滤波输出阻抗较高，电压跟随器提供高阻抗输入、低阻抗输出，驱动后级分压网络而不影响滤波效果。
3、设定电压分压
U2.2输出经过R14（68kΩ）和R15（3kΩ）电阻分压，得到电流设定电压Vset，送入U2.1的同相输入端（3脚）。
分压系数为：
Vset=VU2.2_out×R15/(R14+R15)=VU2.2_out×3k/(68k+3k)=VU2.2_out×0.04225
C5（0.1μF）并联在R15两端，用于进一步滤除高频噪声。
4、误差放大与闭环控制
U2.1（LM358的另一半）构成误差放大器：
其同相端（3脚）接设定电压Vset；反相端（2脚）接采样电阻RS上端对地电压（包含5.382mV的A-偏置），经R12、R13输入。
C7、C8为环路补偿电容，保证闭环稳定。
R11（1kΩ）为MOS管栅极限流电阻。
闭环稳态虚短条件：同相端电压=反相端电压
Vset=V(A-)+Iset×RS
负反馈逻辑：
实际电流偏小→VRS_top(GND)<Vset→U2.1输出电压升高→MOS栅极电压抬升，MOS导通增强，电流增大；
实际电流偏大→VRS_top(GND)>Vset→U2.1输出电压降低→MOS栅极电压下降，MOS导通减弱，电流回落；
动态维持等式，实现恒流。
（四）采样测量模块

1、电流高精度测量（U4ADS1110）
U4（ADS1110）是16位I2C接口差分ADC：U4的IN+接RS上端，U4的IN-接A-。
直接测量RS两端压差：VRS=Iload×RS=Iload×0.018
这里5.382mV共模电压被差分ADC完全抑制，电流测量不受偏置影响。
该通道为系统的主计量通道，测量结果通过I2C总线传给单片机，用于LCD1602显示当前电流值。
ADS1110内部集成2.048V参考电压，适合测量百毫伏级的小信号。
2、电压测量（U3ADS1110）
U3（ADS1110）用于测量被测输入电压。CN1(V+)输入电压经过R8、R9、R16电阻分压网络降压后，
R9两端的电压送入U3差分输入端。C13、C14为滤波电容。测量结果同样通过I2C传给单片机显示。
（五）MCU控与人机交互
主要功能包括：
PWM输出：作为恒流设定源，经RC滤波后生成模拟设定电压。
I2C通信：读取U3（电压）和U4（电流）两片ADS1110的测量数据。
P1.2片内ADC：被测输入电压过压检测通道。
P1.3片内ADC：读取A-点5.382mV基底电压，硬件状态校验。
LCD1602显示：显示当前电压、电流、设置参数、故障代码等；Q4（SS8050）控制LCD背光亮度。
K1~K4按键：增加、减小、设置、开始，用于设定各种数值。
CN3串口：串口通信；CN4：外部扩展接口。
蜂鸣器：声音提示。
（六）保护与辅助电路
1、温度检测

NTC热敏电阻紧贴功率MOS及散热器上，检测温度。
Q1（SS8050）驱动散热风扇，温度升高时自动开启风扇。
过温报警：U6（LM393）电压比较器，将NTC分压电压与R27/R28/R1/R2设定的阈值电压比较。
温度超限时，比较器输出翻转，Q3（SS8050）导通驱动蜂鸣器BUZZER报警。
采样钳位保护：D5、D6（SS14肖特基）用于钳位ADS1110输入信号，防止电压尖峰超过ADC输入量程而损坏芯片。
2、被测输入过压检测

R25（6802=68.0kΩ）上端接MOS漏极即被测A+电位；R26（3001=3.00kΩ）下端接A-(5.382mV)，不是接GND；
中间分压点接到单片机P1.2引脚（STC内部ADC通道）。
本支路不是电流采样，是被测A+输入过压检测。
VP1.2=V(A-) + [V(A+) - V(A-)]R26/(R25+R26)=0.005382+[V(A+) -0.005382]×0.04225
当(V(A+)=60V)，(VP1.2≈2.54V)；软件设置阈值>2.53V判定输入被测电压过压故障，关闭PWM输出。
该保护属于软件保护；MCU死机状态下保护失效。
3、系统电源检测

分为高低两个域值进行检测，运放U6.2和R1、R2完成低压域值的检测；
U6.2的6脚接5V基准，5脚接系统电源12V的1/2分压。当系统电源低10V时，7脚输出低电平。
单片机P3.2引脚得到低电平，判定系统电压低压故障，关闭PWM输出并通过LCD显示信息。
R27、R28完成高压域值的检测。
系统电源12V经R27、R28分压，在R8上分到1/3的电压，单片机P1.1取得采样电压，
此电压高于一定值（实际测量为5.6V左右），
判定系统电压高压故障，关闭PWM输出并通过LCD显示信息。
这样，系统的供电被限制在一个合理的窗口中。
（七）控制坏路的计算
从单片机PWM占空比到最终输出恒流电流，经过以下信号链：
PWM→二阶RC滤波→电压跟随→设定分压→误差放大闭环→MOS导通→RS采样反馈。
1、PWM 滤波输出电压
(Vpwm=VOH×D)
其中(VOH)为PWM高电平电压（5V），D为PWM 占空比（(0≤D≤1)）。
二阶RC滤波将PWM平滑为直流，理想输出等于PWM平均值。
2、设定电压分压
Vset=Vpwm×R15/(R14+R15)=5D×3000/(68000+3000)=0.21127D
3、闭环稳态虚短条件
Vset=V(A-) + Iset×RS
4、完整的换算公式
Iset=(0.21127×D-0.005382)/0.018
设定的电流值只与PWM波的占空比D有关。
5、边界工作情况
当Iset=0A时，最小有效占空比Dmin=0.005382/0.21127≈0.02547 (Dmin≈2.55%))
0~2.55% 占空比区间MOS关断，输出电流为 0A。
当PWM满占空比D=1(100%)时，硬件理论最大输出电流
Imax=(0.21127×1 -0.005382)/0.018≈11.44 A
满足设计需求的最大10A。
I=10A对应的占空比： D10A=(0.018×10+0.005382)/0.21127≈0.885 (88.5%))

三、实测数据波形
以下为实测数据（DT9208表）及波形（TDS220示波器），非专业设备，有误差。
（一）控制环路电压情况

表中U4的1、6脚压差可粗略算出电流采样电阻为1.84毫欧姆左右。
（二）波形测量
准备波形测量

测量点

1、上电时PWM波及二阶滤波

CH1为PWM波形，CH2为二阶滤波后的波形。
图中可见，PWM频率为2KHz，峰值为5.2V，滤波后的电压需要约10mS左右才能稳定。

上图中，是PWM输出开始的10mS，滤波后还是有点抖动的。
2、电流设定及PWM波情况
设定电流为1A、5A、10A时，PWM波形情况
1A时，占比很小

5A时，占比变大

10A时，占比最大

3、不同电流的PWM波情况
100mA时，CH1为PWM波，CH2为U2的5脚（二阶滤波后）

电流设定情况

实际电流采样情况

运放输出（Q2的驱动）

在500mA和1A时的各点对比
二阶滤波后

电流设定值

实际电流采样值

运放输出（Q2的驱动）

以上的实际测量与理论值有偏差，只做定性理解。

四、通信协议
这个板上留有COM口，应该是用来和电脑通信的，但是在测量中又没有数据输出。
查了150W电子负载（电池放电容量测试仪）PX-100 v2.70的协议，
其使用了私有协议，先总结一下：
串口基础参数：9600 8N1（8位，无奇偶校验，1个停止位）配置，无流控，TTL 电平串口
电子负载使用二进制协议，主机发送6字节的控制帧，并接收1字节或7字节的响应帧。
在收到下一个命令之前，所有其他数据均被忽略。不发送也不会接收行字符。
帧格式说明
1、主机（电脑）下发控制帧固定6字节：0xB1 0xB2 CMD D1 D2 0xB6
有2个标头字节0xB1 0xB2和一个尾部字节0xB6，中间为一个字节的命令和两个字节的数据。
2、控制指令执行成功，设备返回单字节 0x6F
3、查询指令：主机下发6字节请求；电子负载应答7字节帧 0xCA 0xCB D1 D2 D3 0xCE 0xCF
4、数值编码：D1 = 整数部分，D2 = 小数 ×100；例：1.23A → D1=0x01，D2=0x17（0x17=23）
这种通信方式是典型的人机应答式通信，不问不答，有问才答。
控制命令是这样对话的：
上位机“小爱小爱，开灯。”
下位机“好的。”
查询命令是这样对话的：
上位机“小爱小爱，几点了。”
下位机“主人，3点了。”
具体如下图


上位机软件行为：
循环轮询0x11读电压、0x12读电流、0x13读运行时间、0x14读容量、0x15读容量，
用来绘制实时放电曲线。
（一）手工验证
使用串口调试工具，用电脑连接电子负载的COM口，
按照之前的协议发送几条命令，负载有反应，协议不对的也忽略了。

又连续测试了几条

确实是使用了v2.70版的协议。
改一下放电截止电压

改一下放电定时时间

（二）网上的上位机软件
外网上找了一个上全机软件：
电子负载PX100，
150W电子负载/电池放电容量测试仪PX-100协议与控制软件。
经测试，适用于板卡版本2.70和2.8。
二进制协议参阅v2.70版本的二进制协议说明。
工作界面

设置界面

工作中

这个上位机运行后有一个命令窗口中，从这个窗口中可以看到，
只要上位机运行后就会一直与负载仪进行通信。

内容似乎能看懂

应该是一个Python脚本输出的实时监控日志，记录了设备的运行状态数据。
核心指令：readAll 是设备的全量状态读取命令，连续多次执行获取实时数据。
时间戳：日志记录的时间点集中在0点55分44秒～0点55分46秒。
每条readAll返回的字典数据，对应设备的关键运行参数：
is_on: 1.0：设备当前处于开机运行状态
voltage: 实时电压，数值在2.669V～2.671V之间小幅波动
current: 0.1：当前输出/输入电流稳定在0.1A
time:datetime.time(0,55,46)：定时剩余时间为55分46秒
cap_ah: 0.04: 电池当前累计容量为0.04安时
cap_wh: 0.41: 电池当前累计能量为0.41瓦时
temp: 28.0: 设备温度稳定在28℃
set_current: 0.1: 设定的电流值为0.1A
set_voltage: 1.52: 设定的截止电压为1.52V
set_timer: datetime.time(1,0): 设定的定时时长为1小时
于是使用COM数据监视软件进行查看数据

对应到COM的数据
从0x10到0x14是基础，之后间隔跟0x15到0x19，组成一个循环，
如果有控制命令，则马上读取相应设置，再接着循环，
上位机退出程序时，先关设备。
（三）盘成电子负载上位机软件
与坛友@不长叶子的树 要来的其对应的上位机软件。
有串口驱动及安装教程，还有必要的说明。
工作界面

观察COM数据，只有下发控制命令和开始测量（运行指示变绿）时，才会有连续的数据。
这个上位机的曲线图很好，会随着时间自适应改变时间轴，能完整看到曲线。
串口数据情况

这个上位机应该是由NI LabVIEW 2018开发的，使用了G 语言。界面很友好。

五 、超压测量的测试
负载仪的各个参数

有坛友想测量电动车的电池，受限于最高测试电压（60V），无法测量。
从原是图上看，能测量的最高电压物理上取决于Q2，只是MCU做了限制，
Q2（IRFP260N）的参数

可见，Vdss为200V，
在25℃时：Id为50A；Pd（功率耗散）为300W，
在100℃时：Id为35A；Pd为150W。
也就是说，在功率要求内，可以测量更高的电压。
被测电压保护部分电路

被测电压的过压检测是由MCU的P1.2脚采样的，
来自被测电压在R26上的分压，
对于60V，R25与R26分压后，R26上端电压为2.53V。
如果想测量80V的电压，R26应该取值2.2K左右。
可以简单的使用8.2K电阻并联在R26上，以提高过压保护值。
注意！！
在不改变散热的情况下（最大额定功率150W），
要测量80V的电压，最恒流电流不要超过1.8A。
Imax=150W/80V=1.875A
由于本人没有测量高压的需求，就没改R26，
但对于超过保护电压，负载仪能否正常测量电压值做了一个小测试：
适当减小R8，模拟出高电压，
当“高压”超过60V，看U3采样是否正常工作。
串口的数据：
发→◇B1 B2 11 00 00 B6
收←◆CA CB 01 38 BF CE CF  80063mV
打开设备进行测量时

串口数据
发→◇B1 B2 11 00 00 B6
收←◆CA CB 01 31 CA CE CF  78282mV
关闭设备

串口数据
发→◇B1 B2 11 00 00 B6
收←◆CA CB 01 38 CE CE CF 80078 80.078V
由此可见，更改高压保护值可以改变测量的最高电压，
但一定要匹配好合理的功率。

万家灯火共庆华诞，千里山河同贺新生。
值此祖国77周年国庆，祝数码之家的工作人员及每一位坛友：
这个举国同庆的日子里，阖家安康，平安顺遂！
愿我们的华夏大地永远风华正茂，祖国永远繁荣昌盛！！

谢谢观赏！

石墨

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