带补偿电源的程控电子负载设计

 摘 要
随着电源产业的多样化、复杂化发展，其在科研、工业以及生活中等各个场合的使用也越加广泛。电源产品的出厂性能测试是该产品生产过程中至关重要的一个环节，这就对用于测试电源的设备有了更高的要求。电源产品的测试与负载密不可分。传统的测试过程中，一般采取模拟负载来替代现实负载，大多数为静态负载，如电阻、电阻箱、滑动变阻器等。然而现实中的负载是随时间、频率变化而不停变化的，动态的，情形很复杂，因此静态负载难以模拟实际负载的真正的特征。研究一种可以替代实际负载的动态电子模拟负载，即电子负载，具有很深远的意义。
电子负载由数字控制器、通信电路、检测与驱动电路等各类元件组合而成的。通过研究电子模拟负载可以代替实际负载来完成这一过程。电子负载的分类可由电子器件选型分为晶体管型、场效应晶体管型以及绝缘栅双极晶体管型。
I-V特性曲线是电源类产品的一个重要特征。由于功率管的使用，包括电子负载在内的测量回路中会存在一定的压降。若要使得待测电源的输出电压为零，从而测得电源的短路电流，则需要在测量回路中增加补偿电源，来补偿电路中的压降。本文所研究的内容就是自带补偿电源的程控电子负载，其有电子负载常见的功能：恒流模式、恒压模式、恒阻模式和恒功率模式，也能测量电源的I-V曲线。
本文首先介绍电子负载技术的发展现状，总结了电子负载的一些优点，提出了电子负载的主要研究内容及研究意义。其次，说明了电子负载的一般工作机理，分析了电子负载通常采用的主电路拓扑结构，总结了常用的电子负载程控方式。然后，描述了带补偿电源的程控电子负载的硬件设计与软件设计的总体方案以及具体实现，并展现了最终的实物效果。

关键字：电源测试；电子负载；功率管

目录
1.引言 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 研究现状 2
1.3 本课题主要研究内容 3
2.电子负载的工作机理 5
2.1 电子负载硬件设计 5
2.2 PID控制算法 6
3.总体方案 9
3.1 需求分析 9
3.2 系统功能 9
3.3 方案设计 9
3.3.1 嵌入式终端方案设计 10
3.3.2 上位机控制平台方案 11
4.硬件设计 12
4.1 硬件设计总体方案 12
4.2 硬件电路详细设计 12
4.2.1 供电电源模块设计 12
4.2.2 补偿电源模块设计 14
4.2.3 单片机模块设计 15
4.2.4 数字-模拟转换模块设计 16
4.2.4 电子负载模块设计 17
4.2.4 模拟-数字转换模块设计 19
4.2.5 人机交互液晶显示模块设计 20
4.3 平台实物展示 21
5.软件设计与实现 22
5.1 嵌入式终端软件设计 22
5.1.1 恒流模式程序设计 23
5.1.2 恒压模式程序设计 24
5.1.3 恒阻模式程序设计 25
5.1.4 恒功率模式程序设计 25
5.1.5 UI曲线测试模式程序设计 25
5.2 上位机的软件设计 27
6.总结和展望 30
7.致谢 31
8.参考文献 32

1.引言
1.1 研究背景及意义
随着航空航天、工控等各个领域的发展，其对仪器仪表、测控系统、通信设备等核心设备的工作稳定性有了更高的要求。而设备能否持续、稳定地工作，其中关键的因素之一就是该设备的供电系统。电子技术与供电技术的不断发展中，各种电源产品层出不穷地被生产出来，诸如直流电源、交流稳压电源、变频电源、不间断电源( UPS)等，这些产品在出厂之前都必须进行各种带负载的测试，以考证它们的技术指标和可靠性[1]。因为如果电源的某项参数达不到设备供电标准，很可能导致设备不能正常工作。
在现实的工业生产中，电源类产品在出厂前都需要进行性能测试，鉴定电源的端电压特性时，放电特性曲线是一个很重要的工具，而负载在测试过程中起着举足轻重的作用，其性能直接影响到测试的结论[2]。传统方式中，国内外的试验一般都采用静态的负载，如电阻、滑线变阻器、电阻箱等，以这种能耗放电的办法进行。随着电源类产品向着多样化和复杂化发展，如何科学且快速地检测其性能和指标成为了一个难题[3]。由于电阻等负载采用的是有级调节，有固定阻值或固定负载特性曲线，负载形式太单一，且功率小。而实际负载形式又比较复杂，一般都是动态的，即负载会随时间、频率的变化在不停地变化，传统的静态负载无法满足电源测试的需求[4]。因此，国内外学者都在寻求可以代替的负载形式。在不断地尝试下，终于提出了由电阻、电感、电容、晶体管和集成电路组成的电子负载。将电力电子技术和计算机控制技术引入到负载装置，不但可以实现传统静态负载的功能，又可以在不改动硬件情况下升级软件可实现其它多种功能，如预定值设定、参数的保存、数据的保存等。本文所要论述的就是如何通过电子负载解决更便捷的电源测试的问题，即如何更便捷地分析电源的各个参数[5]。
电子负载的种类可以根据选取的可控电子器件的不同分为晶体管型、场效应晶体管型以及绝缘栅双极晶体管型[6]。晶体管型电子负载应用广泛，晶体管对电流信号有放大和开关的作用[7]。场效应晶体管型有控制灵敏度高、工作速度快，既无机械接触点，也无运动部件，适合模拟速度较快，电流稍小的实际负载[8]。绝缘栅双极晶体管是场效应晶体管与晶体管技术相结合的复合型器件，比晶体管的速度快，比场效应晶体管的负载电流大[9]。
从能量的观点来分，电子负载又可以分为能量消耗式和能量回馈式负载[10]。能量消耗式负载是将电能转换为热能，其电路设计较为简单，只需外接散热器器件[6]。能量回馈式负载是一种刚兴起的电子负载，是基于节约能源和试验自动化的要求而设计的，它可以在完成测试的前提下，将待试电源的输出能量大部分无污染地反馈回电网中，节约了大部分能源，实现能量的循环再生利用，另一方面也不会产生大量的热量，导致环境温度升高，需要增加庞大的冷却设备，从而节约了安装空间[3,6,10,11]。
电子负载依靠电子元器件吸收并消耗电能，体积较小，通过采用功率半导体器件作为载体，使得负载易于调节和控制，并能达到很高的精度和稳定性[12]。基于上述种种优点，电子负载现已在电源类产品测试中得到了广泛应用[2]。
1.2 研究现状
电子负载可以使待测电源输出恒定的电流、恒定的电，可以模拟恒定的电阻等多种负载情况，可以设定初值，内接电压、电流、功率的显示，具有过流、过压、极性反接等保护功能[13]。
根据电力电子器件选择的不同可以分为：
①晶体管：大功率晶体管也称为半导体三极管，通过对恒流、恒压、恒阻等误差信号进行放大，然后将其输入到逻辑控制电路中，使用选择的误差放大信号以对晶体管的状态进行调节，最终模拟出所需要的负载大小[9]。因此，晶体管也可作为一种可变电子负载。由于晶体管是一种电流控制型的器件，工作速度比较缓慢，因此常用于模拟一些电流恒定或变化速率低的现实负载。除此之外，晶体管的温度系数为负，所以在使用过程中还需要对其进行温度补偿[14]。
②场效应晶体管：场效应晶体管工作在不饱和区时，可以将其看作是受源极和栅极之间电压控制的可变电阻。场效应管型电子负载具有可靠性好、工作速度快、控制灵敏度高等优点，而且既没有运动部件点，也没有机械触点，噪声较低，寿命较长。缺点是负载电流较小，并且通态下的电阻值较大[9]。所以，场效应管型电子负载一般常用于模拟对变化速度要求较快，但工作电流较小的实际负载[15]。
③绝缘栅双极晶体管：绝缘栅双极晶体管，是结合了场效应晶体管和晶体管技术的复合型器件，也是一种电压控制型器件。当绝缘栅双极晶体管工作在不饱和区时，可以将其看作受栅极电压控制的可变电阻[6,9]。它克服了场效应晶体管和晶体管的缺点，兼有负载电流大，响应速度快等一系列优点[16]。
另外，电子负载的实现是通过利用功率管来耗散不同的功率来达到相应的不同阻值的效果。由于功率管的使用，包括电子负载在内的测量回路中会存在一定的压降。若要使得待测电源的输出电压为零，从而测得电源的短路电流，则需要在测量回路中增加补偿电源，来补偿电路中的压降。
除了侧重于硬件设计研究之外，在电子负载技术中还有侧重于研究控制算法设计的。电子负载可以模拟恒定电流、恒定电压、恒定电阻等多种负载情况，无论工作在何种情况下，都需要将电子负载稳定在所设定的值[17]，这就需要采集反馈量并通过控制算法对输出量进行控制。
目前的控制算法主要是基于传统PID控制器的，而由于实际中具有非线性、纯滞后、参数时变性等特点，再加上一些外界干扰条件下，普通的PID控制器难以获得满意的控制效果[18,19]。为了弥补常规PID控制的不足，常常采用将先进的控制策略与之结合的方法，如自适应模糊PID控制、神经元PID控制、免疫控制和混沌控制等[20]。本文主要介绍：
①自适应模糊PID控制器：模糊PID控制器的系统结构主要由PID控制器和模糊控制器两部分构成，对于模糊控制器部分，其输入为误差和误差变化率，然后采用模糊推理方法对PID参数进行在线整定，以满足不同时刻的误差和误差变化率对控制器参数的不同要求，从而使被控对象具有良好的动态、静态性能[21,22]。
②神经网络PID控制器：神经网络PID控制器主要由2部分组成：常规PID控制器和神经网络。当系统给定的命令信号与反馈的实际信号相比较得出电压误差信号，通过神经网络的不断训练，得到一组最优的PID控制器参数，然后计算出控制信号，将控制信号转换为控制电压，调节输出[23]。
根据电子负载的分类特点，可采用双极晶体管或场效应晶体管组成的电路，由一个可控开关控制，在适当时调节所需电流值。场效应晶体管具有控制灵敏度高、工作速度快，既无机械接触点，也无运动部件，适合模拟速度较快，电流稍小的实际负载，场效应晶体管在工作时相当于开路，其电阻巨大，在实际工作中不会产生静态的功率消耗。在设计电子负载的时候可以采用场效应晶体管控制电压控制器件，具有更加节能便捷的功能[7]。
电子负载系统是一种非线性系统，要使电子负载系统具有较快的动态性能，精确的跟踪能力，就必须采用一种有效的控制策略。神经网络具有学习速度非常快、可以避免局部极小和良好的逼近能力等诸多优点，因此将神经网络和传统的PID控制结合一起，设计出神经网络PID控制器效果更好[24]。
工业、科研等方面仪器的普及离不开供电系统，其稳定工作更是对电源类产品提出了极高的要求。本文结合实际需求，详细阐述了为何需要研究电子负载技术，同时通过对电子负载硬件技术的研究和控制算法结构的研究等方面内容展开叙述，阐明了如何从功率器件的选择着手研究该技术，结合算法控制设计合适的电子负载实现电源类产品的测试。
1.3 本课题主要研究内容
根据现有的电源测试方案的特点，本文将针对基于功率管和微控制器的带补偿电源的程控电子负载技术展开研究和实现。
本研究是通过对电源类产品的测试展开带补偿电源的程控电子负载技术的研究与实现，整个系统包括手持式嵌入式终端，且可以通过USB转串口模块与上位机连接，在上位机获取数据。嵌入式终端主要由六个模块组成：电源模块、微控制器模块、可程控补偿电源模块、可程控电子负载模块、按键模块及液晶显示屏模块。上位机平台是基于Windows Form开发的，其功能是实现上位机的参数通过串口发送到嵌入式终端并实时获取、显示当前嵌入式终端的状态。
需要实现的内容是嵌入式终端可以模拟实际的负载来对待测电源进行测试。嵌入式终端需要有提供恒流模式，使得待测电源输出恒定的电流。类似的，还有恒压模式，恒阻模式和恒功率模式。另外，在测量待测电源的I-V曲线时，嵌入式终端需要有补偿电源来补偿电路中的压降，从而实现短路电流的测量，可以绘制出完整的I-V曲线。上位机可以与嵌入式终端通讯，更改模式和设定值，也可以实时显示当前嵌入式终端的状态。
采用微控制器的电子负载，不仅可以提高灵敏度，而且可以达到较高的精度，从而应用在对精度有特别要求的场所。而且电子负载有较好的动态特性和静态特性，可以对线性电源、开关电源等电子设备进行多种测试，并且达到理想的效果。通过对本文所论述的技术的应用，可以提高电源测试的便捷性、精度，并能完成某些特定功能，如测量电池的完整的I-V曲线。