基于 DSP 的电子负载----电子负载系统分析

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第2章电子负载系统分析
          输出电能或转换电能的设备或部件各式各样，如何对其输出特性进行可靠、全面且比较简单、快捷的测试，一直是仪表测试行业研究的问题。传统测试中，常采用静态负载（作为消耗能量的器件广泛地称为负载）。实际上负载的形式较为复杂，常为一些动态负载。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、恒定电压方式以及不同的峰值因数、功率因数或负载为瞬时短路等，传统电阻式负载无法模拟这些复杂的负载形式。电子负载的出现解决了这一难题，它能替代传统的电阻性负载，尤其对吸收恒定电流或以恒定电压吸收电流，或电压、电流都要在设定范围突变等传统方法不能解决的领域里
          2.1电子负载的结构组成
          电子负载仪总体结构分两种类型：一种是单负载模组结构，该类电子负载只包含一个负载模组，且不能联机使用，只能应用于单输出的电源供应器测试，而对于多路输出的则需要多模组协调工作。第二种类型是模组+机框的结构，该类电子负载通过机框作为总控制器，同时将负载模组安装于机框内部，通过机框内安装多个负载模组实现多路输出的电源供应器和单输出电源供应器的并行测试。
       
        无论是单模块结构还是柜式结构的电子负载都是可以独立工作的仪器，前者带有物理面板、控制旋钮、数字按键和显示器。后者不带物理面板需要机柜或机箱配合使用。共同的特点是：输出电压时电流调节范围大，测试模式有恒流、恒压、恒阻和恒功率；内置电压、电流和功率测量电路，以及过流、过压、过热、过功率保护电路，还有输出极性防翻转电路；GPIB和RS485接口，便于程控输出电压、电流瞬时特性，以及测试电压、电流和功率；驱动器和应用软件随机供应，即插即用。电子负载测试电源性能时如下图1所示。
       
        2.2电子负载原理及功能
          2.2.1电子负载的控制原理
          电子负载核心控制器件采用功率晶体管，负载电流是这些晶体管集电极电流的总和，通过控制晶体管的基极电流获得所需的集电极电流，将消耗的功率转化为热，再通过散热器由对流和辐射散失掉消耗的电能。MCU是整个电路的核心，采用功率调整管作为电子负载，MCU通过D/A转换电路输出电压控制信号，信号经过运算放大器调整后，通过调节功率管的基极电压，把功率管模拟成负载使用，其原理框图如下图2所示。
       
        2.2.2电子负载的功能
          电子负载可以模拟定电流、定电压、定电阻的负载情况，具有初值的设定，内接电压表、电流表、功率显示，具有过载、过压、过流、极性反接保护功能，主要有以下几种功能。
       
        （1）定电流（CC）模式
          在定电流模式：不论输入电压大小如何变化，电子负载将根据设定值来吸收电流。定电流模式常用于测试电压源及AC/DC电源的负载调整率和蓄电池的放电，尤其可以为开关电源做电流测试，电子负载的定电流模式如图3所示。
       
        （2）定电压（CV）模式
          定电压模式：电子负载流入的电流以维持控制电压在设定值。定电压模式常用于测试电流源，测试电源电流突然增大时的限流特性，定电压可以仿真电池的端电压，故可用于测试电池充电器，电子负载的定电压模式如图4所示。
       
        （3）定电阻（CR）模式
          定电阻模式：恒定阻值模式下，电子负载检测负载端的电压值，吸收和电压值成线性比例的电流。定电阻模式常用于测试电流源、电压源和电源的激活测试。用于测试电源的启动和限流特性，相当于可变变阻器，不收温度的影响，电子负载的定电阻模式如图5所示。
         
          （4）定功率（CP）模式
          定功率模式：在定功率模式下，电子负载流入的负载电流根据所设定的功率大小而改变，此时负载流入的电流和电压的乘积等于设定的功率值，定功率模式常用于电池容量寿命测试，电子负载的定功率模式如图6所示。
       
        （5）动态负载模式
          动态负载是周期性的在两个状态下切换。电源的调整率和瞬态反应在高低电流水平、持续时间和升降率变化下用示波器监看它的电压输出波形。动态负载模式用于测试电源的整体回路反应，即瞬时响应和回复时间测试。实际上大部分负载是动态复载，如计算机磁盘驱动器动作和不动作时工作电流的变化，动态负载模式如图7所示。
         
          （6）负载短路模式
          负载短路是指DC或AC电源输出端有很低的输出阻抗，当发生短路时，电源的保护电路应产生作用来限制输出电流，从而可以保护电源和电路上的负载，负载短路如图8所示。
         
          2.3目前电子负载存在的问题存在的问题：
          （1）。总体结构看来，单负载模组不能满足多路输出的电源供应器的测试和单输出电源供应器的并行测试要求；模组+机框的结构虽然可以满足以上要求，但成本增加，受机框的限制，用户使用不灵活。
       
        （2）。负载电流的上升/下降采用不可调节或模拟调节，对种类繁多的电源供应器适应性差，实时调节困难，易引起电源供应器的输出电压或负载电流的震荡冲击，干扰测试结果，触发误动作或损坏被测的电源供应器。
          （3）。不具有动态负载测试功能或动态测试形式单一，不能满足电源供应器的较高要求和特殊测试的要求。
       
        （4）。不能对电池的交流内阻进行测量。电池行业中对交流内阻的测量需要采用专用的测量仪器，如交流毫欧表，价格昂贵。