基于 DSP 的电子负载----功率电路设计和采样电路设计

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3.2功率电路设计和采样电路设计
          3.2.1功率电路
          电子负载的功率耗散部分是一个N沟道的功率场效应管MOSFET.当一个电压施加在MOSFET的两端时，N沟道里面的正负电离子分布也会跟着改变，正离子的浓度会减少，电子的浓度会增加。当电压够强时，接近栅极端的电子浓度会超过电洞。这个在P型半导体中，电子浓度（带负电荷）超过正离子（带正电荷）
       
        浓度的区域，形成所谓的导电沟道。如果在其栅极（G）和源极（S）之间加上一个正向电压（称为门极电压），在正向电场作用下，称耗尽区变薄，沟道变窄，漏极电流变大。场效应管为电压型控制元件，开关频率高，具有正的温度系数，工作在转移特性曲线区时，门极与漏源极之间的伏安特性可以看作是一个受栅极电压控制的可变电阻。
       
        电子负载系统设计要求的电流工作范围是：0～16A（高档位），0～3A（低档位）；电压工作范围是：0～60V（高档位），0～5V（低档位）。电阻工作范围是：0.1-100Ω。设计时要根据系统的设计参数，留取一定裕量，并考虑实验过程中的不确定因素。
       
        图3.4（a）、（b）所示分别为N沟道增强型MOS管的转移特性和输出特性曲线，它有三个工作区域：可变电阻区、恒流区及夹断区，如图中所标注。
       
        电子负载的主电路中功率耗散元器件为N-MOS，MOSFET管上需要加上散热片，采用空气冷却方式解决大电流经过MOS管导致的温升。主电路采用OPA运算放大器和MOSFET串连，运算放大器上加+V的供电电平，X2的输出端为功率管MOSFET提供一个门触发电压，R3是一个门电阻，它的作用是门限流和避免噪声导致的MOSFET的自激振荡，C1为控制环提供补偿。X3输出电压经X2将输出电压钳位在MOSFET开启电平（大约在3.6V）以下，以防止其工作。当连接测试电源并且超过3.6伏的钳位电压时，运算放大器输出的调节幅度比可以设定的调节范围小得多，这样响应可以更快并且开启可控。被测的输出电源的连线在上图中用DC+和DC-标示出来。驱动电路如图3.5所示。
         
       
        3.2.2电流和电压采样电路
          A/D是检测和测量负载电流和电压的重要器件，为了让负载准确工作在不同方式下，设计中对被测电源的输出电压和MOS管的电流进行实时采样。采样AD选用TMS320LF2812自带的具有12位精度的逐次逼近型A/D，采样精度可达5V/4096≈0.0025V.A/D的输入口为高阻态，输入阻抗极大，容易被干扰，为提高抗噪声能力并且保护A/D不被高于3.3V的电压输入所损坏，增加了RC滤波器，可以将大部分纹波和高频噪声有效的滤除。根据TI的数据手册，2812的AD采样电路精度不是很高，一般只有2%.需要对AD采样进行软件校正，软件校正后的精度可以达到0.5%，这在第五章里将有详细的论述。此外，根据TI的应用手册，A/D的线性度在0.3V~2.7V时转换效果最好，因此设计AD采样电路时，尽量将所要采样的信号变换到AD采样线性度较好的区间。
       
        根据设计的需要，采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，从功率电路采集实际工作电压和电流，反馈到DSP的AD口，实现自动调节。
       
        电流采样电路中，负载电流经过采样感应电阻R4，由具有差分放大器作用的R11、R12、R13、R14组成的运算放大器X4检测，差分放大器由这个电流产生一个电压，由X4的负相端检测，其中_HI_EN信号由DSP给出的场效应管开启电压，高低档位选择信号，低档位时_HI_EN是高电平，Y1导通R12和R14处于并联状态，R13和并联的R14、R12分压。高档位时_HI_EN是低电平，Y1处于截止无穷大电阻状态，R13和R14串联分压。这个信号X4的正相检测，与0～5V的参考电平进行比较，相应成比例的的电流就是0～16A（高档位）、0～3A（低档位）。图3.6所示为电流采样电路原理图。
       
         
        电压采样电路中，电压信号经过R19和R16进入X5的正相检测端，由具有差分放大器作用的R16、R17、R18、R19组成的运算放大器X5检测，差分放大器产生一个电压信号，由X4的负相端检测，其中_HI_EN信号由DSP给出的场效应管开启电压，高低档位选择信号，高档位时_HI_EN是高电平，Y2导通R16和R19处于串联状态，R16和R19串联分压。低档位时_HI_EN是低电平，Y2处于截止无穷大电阻状态，R19和R20并联，R16和并联的R19和R20组成串联电路，进行串联分压。这个信号X5的正相检测，与0～5V的参考电平进行比较，相应成比例的的电流就是0～5V（低档位）、0～60V（高档位）。图3.7所示为电压采样电路原理图
         
          3.3电源电路设计
          电子负载电源设计包含两个方面的内容，供电电源电压和电源管理。
       
        电源电压设计是根据电子负载系统需求来进行电压分配，电子负载系统中，DSP芯片工作电压是3.3V，内核电压1.8V，信号板上高低档位选择电压信号、恒压恒流使能信号均为3.3V，输入电压范围在5～12V之间，输出线性误差在0.2%以内，可以在120度下的温度稳定的工作。C89，C91采用稳定耐用的贴片钽电容，钽电容使用温度范围宽，耐高温，绝缘电阻高，漏电流小，容量误差小，等效串联电阻小，高频性能好，和发热量巨大的负载板长时间在一起也可以保持良好的性能。
       
        DSP控制板采用用5V直流电源供电，负载板直接连接市电220V电源，测试电源连接市电。在调试时为了减少信号板的模拟电路对DSP控制板的数字电路造成不必要的噪声影响，首先DSP控制板上电，其次功率板上电，最后测试电源再上电。电源电路如图3.8所示，左侧是给电子负载信号板供电的电压（+9V，+5V，-5V），右侧是给控制板供电电压（3.3V，1.8V）。
         
          3.4信号板设计
          （1）地线的设计
          电子负载系统中有两种地线：模拟地和数字地。接地有两方面好处，增强系统的抗干扰能力和保障测试人员的安全。模拟信号和数字信号最终都要回流到地，数字信号变化速度快，从而在数字地上的噪声就会很大，如果模拟信号是需要一个无噪声的地参考，就不能把模拟地和数字地混在一起，数字地的噪声会影响到模拟信号。电子负载电路板上既有高速逻辑电路，又有线性模拟电路，属于数模混合电路，应使它们尽量分开。大档位时的负载电流流过地线上的回路时，信号板上电阻可能会有几百毫伏的电压降而引起的测量误差，所以采用加大引出端的接地面积之外，对于MOS管主电路与控制电路之间通过RC电路滤波去除噪声。
       
        （2）元器件的布局
          在元器件的布局方面，进行电路板合理分区，把相关的元器件尽量放得靠近一些。如：晶振、时钟发生器、CPU的时钟，输入时都容易产生噪声，放置的时候放在一起。大功率器件MOSFET管远离密集的电路，放在了电路板边缘。模拟电压输入、参考电压端尽量远离数字电路信号线，布线时切忌90度折线造成的高频噪声发射。所有平行信号线之间留有一定的间隔，以减少串扰。有相距较近的信号线时，在线与线之间走一条接地线，这样可以起到屏蔽的作用。
       
        （3）闲置端口的设置
          TMS320LF2812有56个数字量输入输出口，一部分为专用的IO口，大部分为通用口，可以通过配置相应的寄存器来设置IO口的方向，对于设计中剩余的闲置的IO端口都定义为输出口。
       
        （4）信号板主回路仿真测试
          为对主回路进行测试，在PSspic环境下搭建了电子负载主回路，如图3.9所示，并对负载电流进行阶跃响应仿真测试，为了测试准确性，分别对3.3A和16A的负载电流进行方波跟踪，仿真测试结果为3.10图，可以看出主电路良好的方波跟踪性比较让人满意。较让人满意。