基于 DSP 的電子負載----研究意義及名詞解釋

如何科學快速地檢測電源產(chǎn)品的性能和指標成了一大難題。靜態(tài)能耗式負載像電阻和電阻箱等，采用有級調(diào)節(jié)，負載形式單一，功率小?，F(xiàn)實中的實際負載形式比較復雜，通常都是動態(tài)的，即負載隨時間、頻率在不斷的變化，傳統(tǒng)的靜態(tài)負載越來越不能滿足電源測試的要求。因此，國內(nèi)外學者都在尋求可以替代的負載形式，產(chǎn)生了由電阻、電感、電容、晶體管和集成電路組成的電力電子負載。它可以在輸入端模擬線性、非線性和特殊負載的電特性，達到對被測設(shè)備各種電特性的測試目的。同時將電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)引入負載裝置，設(shè)計成數(shù)字電子負載，建立相應的軟件操作界面，不但可以實現(xiàn)傳統(tǒng)靜態(tài)負載的一些基本功能，而且可以在原有負載的基礎(chǔ)上通過升級軟件，實現(xiàn)更多的功能：

（1）預設(shè)測試值。在恒流模式下，測試電池2A電流的放電特性，將設(shè)定值輸入電子負載，接上測試電源，電子負載將按照設(shè)定的2A的電流開始給電池放電，全程自動完成測試任務。

（2）測試參數(shù)的保存。當電子負載在生產(chǎn)線上應用時，可為待測試產(chǎn)品設(shè)定一組數(shù)據(jù)并保存下來，當下次再測試這個產(chǎn)品時只要調(diào)出來使用就行了，而不用再從新設(shè)計參數(shù)。

（3）測試模式的選擇。測試電源產(chǎn)品在不同測試模式下，不同的電流值下電壓變化情況，或者是在不同電壓值下的電流變化情況，此功能可以讓待測電源產(chǎn)品在測試時按照設(shè)定的測試模式下，根據(jù)測試參數(shù)的不同自動控制輸入信號。

（4）數(shù)據(jù)保存功能。少量的數(shù)據(jù)可暫時保存于DSP的RAM上，長期保存的較大c的數(shù)據(jù)，需要通過串口把傳到上位機上，保存到電腦硬盤里面。

（5）控制策略調(diào)用。對不同的待測電源，調(diào)用上位機里面不同的控制算法來實現(xiàn)不同的控制策略，適應不同產(chǎn)品的電源特性，滿足測試的精度要求。

數(shù)字式電子負載與傳統(tǒng)的模擬電阻性負載相比，具有以下優(yōu)點：

（1）體積小、重量輕、節(jié)約電能。由于電子負載系統(tǒng)沒有把試驗的所有功率變成熱量，因此不必使用體積龐大的電阻箱及冷卻設(shè)備，因而節(jié)約了安裝空間和降低了實驗設(shè)備成本。

（2）減低了電源測試時的勞動強度，若采用傳統(tǒng)的電阻性負載，要根據(jù)不同的所測試設(shè)備選擇組裝不同的器件，測試時操作又繁瑣。電力電子負載可以根據(jù)設(shè)定自動完成測試任務，簡化測試工作。

在過去的幾年中，最顯著的是功率半導體器件驅(qū)動的負載性質(zhì)的變化。市場正從按照負載類型（如：電動機、磁盤驅(qū)動器、電視機線圈、熒光燈）劃分轉(zhuǎn)變?yōu)榧冸娮迂撦d（如IC）占功率半導體應用市場的主要份額上來。這一成長的市場集中體現(xiàn)在功率半導體產(chǎn)品的革新，也為新型控IC創(chuàng)造了市場機會。其成長之迅速使得業(yè)界還特別為描述該市場定義了一個新名詞：電源管理，從開辟了IC電子負載的新天地。近年來，由于數(shù)字信號處理器、電力電子以及控制理論和控制方法的快速發(fā)展，數(shù)字控制系統(tǒng)已成為控制技術(shù)的主流，電子負載必將具有更廣闊的前景和更廣大的市場。

1.2電子負載研究的現(xiàn)狀

1.2.1什么是負載

負載是指連接在電路中的電源兩端的電子元件，把電能轉(zhuǎn)換成其他形式能的裝置，常用的負載有電阻、馬達和燈泡等可消耗電源功率的元器件。不消耗功率的元器件，如電容，也可接上去，但此情況為斷路。負載通常分為如下幾種：

感性負載：感性負載即具有電感的性質(zhì)，磁場和電流不能突變。當負載電流滯后負載電壓一個相位差時，負載為感性，如負載為電動機、變壓器。

容性負載：容性負載即具有電容的性質(zhì)，充放電和電壓不能突變，當負載電流超前負載電壓一個相位差時，負載為容性，如負載為補償電容。

阻性負載：當電流和電壓沒有相位差時負載為純阻性負載，如家用的白熾燈、電爐。

混聯(lián)電路中容抗大于感抗時負載電路呈容性，容抗小于阻抗時為感性。

1.2.2傳統(tǒng)的負載

過去人們往往使用一些互連的低功率瓷盤電阻、滑線變阻器或電阻箱作為測試負載，這些負載分辨率低，阻值會因接觸不良和發(fā)熱發(fā)生變化。并且有如下缺點：設(shè)備笨重，攜帶不便，調(diào)節(jié)費力，精度難以保證；負載電流不能連續(xù)調(diào)節(jié)，從零調(diào)到滿載在加電的狀態(tài)下，易接觸不良打火燒毀；難以用于程控化、數(shù)字化的自動化生產(chǎn)線上，更不能測試電源的動態(tài)參數(shù)。

1.2.3現(xiàn)代的電子負載

隨著功率場效應晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和場效應晶閘管等主要開關(guān)器件的出現(xiàn)以及電力電子變換器拓撲的發(fā)展，現(xiàn)代電子負載是利用有源元件主動從電源中吸收電流，一般由放大器和功率器件等電子元件組成的可調(diào)負載，靠控制功率管或晶體管的導通量（占空比大?。?，通過功率管的耗散功率消耗電能的設(shè)備。它能夠準確檢測出負載電壓，精確調(diào)整負載電流，同時可以實現(xiàn)模擬負載短路，模擬負載是感性電阻或容性電阻，從而可以模擬真實環(huán)境中的負載即用電器，實現(xiàn)對負載電流的實時調(diào)節(jié)和控制。

現(xiàn)有電子負載的大都是模擬控制環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)和控制的適應性和實時性差，不能適應不同電源供應器的具體情況。電子負載的數(shù)字化和智能化關(guān)鍵在于控制模塊的數(shù)字化，用DSP來實現(xiàn)數(shù)字電子負載即用DSC取代傳統(tǒng)電子負載上的控制芯片MCU，使用更合理的控制算法來實現(xiàn)控制要求。帶有MIPS的數(shù)字信號處理器，除明顯的改善產(chǎn)品性能外，還大大的簡化了產(chǎn)品的設(shè)計過程。TMS320F28x系列其強大的CPU處理能力，可以運行多種非線性控制算法，整合多種控制策略，從而為電子負載搭建高性能的控制算法硬件平臺。

1.2.4電子負載的分類

電子負載常用的有恒阻和恒流兩大類型，恒阻型電阻負載和普通的電阻的電壓電流特性差不多?，F(xiàn)在的使用的實際電子電路，使用大量的IC元件和電阻電容器件，電壓電流特性已經(jīng)和純電阻特性相差很遠，而恒流型電阻負載更接近于實際，為廣大測試人員的首選。

從電源類型來看，電子負載可分為直流電子負載和交流電子負載兩種。直流電子負載比交流電子負載應用時間長，范圍廣。最初利用電力電子器件的特性，用電力電子元件搭建電子電路來模擬負載，通過分析等值電路，可以實現(xiàn)模擬定電阻、定電壓等特性。隨后將單片機技術(shù)應用到電子負載中，實現(xiàn)了定電流模式和可編程斜率模式，使得電子負載可以工作在其它多種模式：動態(tài)電阻模式、短路模式等。相比直流電子負載，交流電子負載可以模擬傳統(tǒng)的真實阻抗負載，它能模擬一個固定或者變化的負載，甚至將試驗的電能反饋回電網(wǎng)，其電路結(jié)構(gòu)如下圖1.1所示。

上圖1.1中，e1為待測試的交流電源輸出電壓，e2為外接的交流電網(wǎng)電壓。

從電子負載的電子器件組成來分，可分為晶體管式電子負載、場效應管式電子負載和絕緣柵雙極型晶體管式負載。

晶體管式電子負載：通過基極電流可以控制集電極電流，從而可以達到控制晶體管作為一個可變負載的目的。利用大功率晶體管作為一個電子負載，如下圖所示，Ul為外接負載的電壓，IL為負載電流，UR為基準電壓，由圖可以看出如式1.1所示。負載電流流過Rd的電壓信號作為誤差放大器的反相端的一個信號，基準電壓UR作為誤差放大器的正相端的控制信號，負載電流只和基準電壓有關(guān)，與負載電壓大小沒有關(guān)系。我們通過改變基準電壓UR的大小就可以改變負載電流的大小。

大功率晶體管構(gòu)成的功率恒流源擔當負載，吸收電源提供的大電流，模擬復雜的負載形式。一旦基準電壓固定，保持在某一值上，無論負載電壓怎樣變化，回路中的負載電流都維持在一個恒定的電流值上。由于晶體管屬于電流控制型器件，控制電流變化速度較慢，因此適合模擬電流恒定或是變化緩慢的實際負載。
并且，晶體管還存在溫度系數(shù)為負的問題，所以使用過程中還需考慮溫度補償?shù)膯栴}。

場效應晶體管式電子負載：場效應晶體管（MOSFET）工作在不飽和區(qū)時，漏極與源極之間的伏安特性可以看作是一個受柵源電壓控制的可變電阻。用MOSFET作可變電阻具有工作速度快，控制靈敏和可靠性好等優(yōu)點，而且無機械觸點，無運動部件，噪聲低，壽命長。但是MOSFET的通態(tài)電阻較大，負載電流較小。所以MOSFET適合模擬一些變化速度較快，但電流不大的實際負載。

傳統(tǒng)的以MOSFET作為電阻負載的原理圖，見圖1.2.由圖可以看出，通過運放及反饋來控制MOSFET的柵極電壓，從而達到其內(nèi)阻變化的目的。

絕緣柵雙極型晶體管式電子負載：絕緣柵雙極型晶體管，簡稱IGBT，IGBT工作在不飽和區(qū)時，其射極與集電極之間的伏安特性可以看作是一個受柵極電壓

控制的可變電阻。它與晶體管相比，響應速度快；與MOSFET相比，負載電流大，通態(tài)阻值變化范圍大。IGBT可以用來模擬動態(tài)電弧，如圖1.3所示。將事先已測得的電弧阻值變化通過計算機編程，來控制IGBT柵極電壓的變化，從而達到IGBT作為可變負載時需要的變化阻值。這種電子負載是主要用來完成對弧焊電源動特性的測試。

從能量的觀點來分，電子負載可以分為能耗式電子負載和能饋式電子負載。

模擬負載的主要功能是完成通信電源的出廠試驗。圖1.4為電子負載試驗示意圖。

圖1.4中的“負載模擬單元”所模擬的負載一般可以等效為電感和電阻的串聯(lián)，如下圖1.5中的a所示，設(shè)被試電源的輸出電壓為Ud.在分別模擬阻感負載和電阻負載時，其等值電路應同實際的阻感、電阻負載相同，如圖1.5中的b所示。

同時，可得到它們的數(shù)學模型為：

分別解方程式，則有：

在模擬阻感負載時，電網(wǎng)電壓在一定范圍內(nèi)恒定，被測電源輸出電流的大小直接正比于系統(tǒng)所模擬的功率的大小，即正比于交流側(cè)電流的大小，而電流的設(shè)定值若按上式（1.4）的給定進行控制，則成功地控制了被測電源輸出電流的大小，也就是成功地模擬了R、L性質(zhì)的負載，此時通過對R、L值的設(shè)定即可實現(xiàn)對模擬功率的設(shè)定。同理，模擬純電阻負載時，電流設(shè)定值按上式（1.5）的給定取值即可。該負載有節(jié)約能源的目的，但前提條件是需要掌握實際負載的數(shù)字模型，對一些數(shù)學模型尚未清楚的實際負載而言，此方法的應用有些困難。

能饋式電子負載是一種新興的電子負載，是根據(jù)節(jié)約能源、減少開支和試驗自動化的要求而設(shè)計的，它可以在完成測試功率試驗的前提下，將待測試設(shè)備的輸出能量大部分無污染的反饋回電網(wǎng)，節(jié)約了大部分能源，實現(xiàn)了能量的循環(huán)再生利用。

1.3研究的內(nèi)容和主要的性能指標

采用單片機作為主控芯片，雖然可以實現(xiàn)簡單的控制功能，但是調(diào)節(jié)和控制的適應性和實時性差，特別是隨著電源產(chǎn)品測試的實時性和精度的要求的提高，需要處理的數(shù)據(jù)量越來越大，低檔的單片機已不再能滿足要求。與單片機相比，DSP器件采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時存取程序和數(shù)據(jù)，片內(nèi)集成了A/D和采樣/保持電路，內(nèi)置高速的硬件乘法器，增強的多級流水線，使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)運算能力。采用DSP（數(shù)字信號處理器）的電子負載，可以對負載電流上升和下降變化速率采取數(shù)字化實時控制，自動的調(diào)節(jié)負載電流，適應不同的電源的測試特性要求，研究的主要內(nèi)容為：（1）、確定實現(xiàn)數(shù)字電子負載的方案的可行性。

（2）、設(shè)計電子負載的硬件電路，研究主電路元器件的選擇和控制電路的設(shè)計。

（3）、結(jié)合TMS320LF2812和信號板模擬電路，研究數(shù)字PID控制器，通過控制MOS管的門極電壓大小，來達到控制信號板上負載電流大小的目的。

（4）、依據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，編寫各個單元模塊控制系統(tǒng)的軟件程序。

（5）、完成直流電子負載的硬件電路和軟件電路調(diào)試后，連接硬件電路載入軟件進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，根據(jù)實際情況修改電路和改進軟件算法。

（6）、簡化直流電子負載控制系統(tǒng)模型，進行在MATLAB中簡化仿真，設(shè)計不同的控制算法，驗證各種控制策略的可行性。

（7）連接市場上銷售的電源產(chǎn)品進行測試，并對測試結(jié)果進行分析，根據(jù)測試的負載特性曲線，檢驗控制方案的正確性和可行性，研究探討實際應用中存在的問題，加以改進。

基于DSP的直流電子負載系統(tǒng)設(shè)計應當滿足以下要求：