基于 DSP 的电子负载----电子负载系统设计方案

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2.4电子负载系统设计方案
          2.4.1直流电子负载的原理
          稳态下，直流电源只有阻性负荷，动态下阻感性负荷如下图1.5中a所示，阻容负载如下图2.9中的b所示，设被测试电源的输出电压为Udc，方框内是等效的模拟阻感负载和阻容负载的负载单元。
         
       
        Figure 2.9 equivalent circuit上图为外接电源带阻感或阻容负载时的电路图，由图可以得到他们的电路方程为：
         
          求解方程式，则得：
         
          由上式可知，负载单元里的负载电流IRL或IR是按照上式2.3和2.4来变化的，根据负载电流变化的规律，可分为模拟恒流模式，模拟恒阻模式，模拟恒压模式。
       
        （1）模拟恒流模式，负载电流与外接被测试电源电压无关，电流保持恒定不变时，在电压恒定下，相当于一个阻值不变的电阻。
       
        （2）模拟恒阻模式，稳态下直流电压源电压为恒定不变的值 负载电流和外接电压成线性关系变化。
       
        （3）模拟恒压模式，在每次开关时间很小t近似于零的情况下，U = IRCR、U = IRLR，只要调节负载电流大小，就可以得到外接等效电压U.直流电子负载正是利用负载模拟方法，采用对负载电流调节方法，使控制环的可调节电流与检测的输入电压满足特定的规律，当负载电流和非线性负载电流特性曲线近似的情况下，即可模拟非线性负载。
       
        2.4.2直流电子负载的设计结构
          对功率变换电路进行测试，需要建立一个负载电路，安全的消耗功率转换器的最大功率。有两种方法可以实现功率消耗，一种过去和现在常用的是用额定的大功率电阻，能耗得方式消耗功率……第二种就是采用电子负载。由一个可控开关（用双极型晶体管或MOSFET管）组成的电路，调节所需的电流值。MOSFET操作速度快，不会产生静态的功率损耗，最大的优势是在直流信号上，MOSFET栅极阻抗无穷大，相当于开路，理论上不会有直流从栅极流向电路的接地点，形成完全由栅极电压控制的电压控制型器件，比电流控制型双极型晶体管BJT更加省电，而且更易驱动。因此设计的直流电子负载采用MOSFET为其控制器件。
       
        现有电子负载大都是采用模拟控制环节，或采用低端的单片机作为控制芯片，控制环的电流调节困难并且实时性差，难以适应不同电源供应器的具体情况。现代的32位DSP控制器，如TMS320F280X具有实时代码处理能力，极大的方便了电源设计者在高频段的应用。TMS320F28x系列其强大的CPU处理能力可以运行非线性控制算法，整合多种控制策略，优化系统设计从而达到减低系统设计成本。用DSP来实现数字电子负载即用DSC取代传统电子负载上的MCU，调用不同控制算法来实现高精度的控制要求，将数字处理器通过其输入端连接外部设备，接收用户发出的指令和电压电流反馈值，生成所需的输出波形到驱动放大电路的输入端，控制驱动放大电路内部相应的模拟开关动作，进而改变输出到MOS管栅极的电压值。
       
        电子负载系统采用“TMS320LF2812通过A/D转换、串口通讯、LCD显示、键盘操作何电压控制实现功率板电路控制的技术方案，集检测、控制、变换、显示等功能于一体的设计方法。初步研制功率为100W，电流范围在0-16A，电压范围在0-60V的直流电子负载，实现恒流、恒压、恒阻等工作模式。
         
          图2.10中，MOS管电路为电子负载主电路，TMS320LF2812为核心处理器，进行控制算法的调用和实现，D片上A/D转换器完成对测试电源状态数据的采集和反馈，键盘、LCD实现人机交互，串口通讯采用RS232标准实现和上位机的通讯。D/A转换模块输出一定大小的电压控制信号，控制功率电路MOS管的导通和关断，来获得实际所需的工作电流、电压。电路中的检测电路为电压、电流负反馈回路，通过A/D采集到DSP中数据，与预设值进行比较，作为DSP调节控制电压大小的依据。
       
        2.4.3 MOSFET的建模
          随着信息化的发展和电脑性能的增强，计算机辅助设计成为电子设计领域的主流手段。模拟电路中的电路分析、数字电路中的逻辑模拟，甚至在印制电路板、集成电路版时都开始采用计算机辅助设计来加快设计效率。在电子设计领域常用的仿真软件有PSpice、MATLAB、multisim等，每个仿真软件应用的侧重点不同，针对研究所用的电子负载，我们选用了PSPICE和MATLAB为最初的两个仿真软件。
       
        PSpice软件功能强大、元器件库丰富、仿真度高，可以对各种各样的电路建立仿真电路，模拟电路的工作原理，几乎可以完全取代电路和电子电路实验中的元器件、信号源、万用表和示波器，相当于一个电子电路虚拟的实验室。PSpice一般采用图形的方式来描述需要仿真的电路，先打开PSpice提供的绘图编辑器，调出模型库里需要的元器件，输入元器件及模型的参数，连接元器件画出相应的电路图，定义各个元器件的类型和输出变量参数，运行电路仿真程序。电子负载所用到的场效应管为MOSFET的输出特性是指在恒定的栅-源电压Vgs下，漏极电流Id和漏-源电压ds V之间的关系。转移特性是指在恒定的Vds下，Id与Vgs的关系，如果Vds保持不变，Vgs改变的话，Id将会在很大的范围内变化，此时Id与Vgs的比值可以看作是个可变电阻，MOSFET的转移特性曲线就是电子负载研究的内容。下图2.11MOSFET电路连接图和仿真测试转移特图。
       
        由PSice得到的转移特性图，可以取得一组可靠的Id和Vgs数据进行MATLAB下MOSTEF建模。电子负载系统设计的最大测试电流是16A，所以研究16A以下的MOSFET的转移特性，下表2.1所示为PSice下仿真数据。
         
       
        Simulink是MATLAB的一个工具包，它和使用者是基于windows的模型化图形输入，模型化图形输入让使用者可以花更多精力在模型的构建而不在语言的编程上，Simulink里面提供了一些按照功能分类的模块，使用者只需知道模块的输入、输出及模块的功能，不必考虑模块内部构造，通过对这些模块的调用，连接起来就构成所需的模型。根据上表2.1得到的MOSFET转移特性参数表，在MATLAB软件的Simulink平台下，用Lookup tables模块构建非线性仿真模块，可以模拟MOSFET转移特性，进行简易的MOSFET管的非线性模型构建和电子负载控制系统仿真。
       
        在Simulink模块中点击选择“Lookup Tables”，也就是所谓的查询表模块，在Lookup tables的功能参数设置中的vector of input values和vector ofoutput values输入表2.1的Vgs和Id的数值，进行线性插值曲线拟合，用查表法近似一维函数，建立输入信号查询表，搭建出MOSFET的简易模型。考虑到设计的电路中运算放大器等模拟器件的惯性滞后性，在主回路里加入一阶惯性环节，使输出延缓地反应输入量的变化规律，时间常数设定为100微妙，E_source为外接电源的值，设定为30V，DSP输出输入信号最大为3.3V，加入3.3V限幅模块，设置正负幅值，模拟主回路的饱和特性。模拟电子负载如下图2.12所示。
       
        设计好简易的电子负载模型后，在Subsystem模块中，对电子负载模型进行封装，命名为电子负载，如下图2.13所示，对建立电子负载模型进行阶跃响应测试图如下所示。