基于STM32的恒流電子負(fù)載設(shè)計(jì)

谷志陽（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程系，浙江 溫州 325035）

基于STM32的恒流電子負(fù)載設(shè)計(jì)

谷志陽
（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程系，浙江 溫州 325035）

為解決負(fù)載精度差，無法達(dá)到恒流或恒壓的問題，以STM32為控制核心，集按鍵設(shè)置、LCD顯示、電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)、極端保護(hù)等功能為一體，設(shè)計(jì)一種恒流電子負(fù)載。測(cè)試結(jié)果表明，該電子負(fù)載恒流穩(wěn)定性好、精度高、負(fù)載變化范圍廣、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

STM32；恒流；電子負(fù)載；精度

0　引 言

在各種電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)及測(cè)試過程中，負(fù)載是普遍使用的一種配件。在大多數(shù)條件下使用者通常采用電阻、電容、電感等或它們的串并聯(lián)組合作為負(fù)載，模擬真實(shí)的負(fù)載情況進(jìn)行電源設(shè)備的性能試驗(yàn)[1]。這種負(fù)載作為測(cè)試的配件，精度差，對(duì)于如LED驅(qū)動(dòng)器等電源產(chǎn)品的測(cè)試無法達(dá)到恒流或恒壓測(cè)試的目的[2]。由于其不可控性，在不同的測(cè)試條件下其負(fù)載的變化很大而導(dǎo)致測(cè)試需要不斷地更換負(fù)載[3]。電子負(fù)載一般采用MOSFET或IGBT管等代替電阻作為能耗體，使得調(diào)節(jié)和控制易于實(shí)現(xiàn)并能達(dá)到高精度、高穩(wěn)定性的要求[4]。在復(fù)雜條件下電子負(fù)載還可模擬一些特殊的負(fù)載波形曲線，測(cè)試電源設(shè)備的動(dòng)態(tài)和瞬態(tài)特性等[5]。

1　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際的小功率LED驅(qū)動(dòng)電源的應(yīng)用測(cè)試要求，本文以STM32為控制核心，設(shè)計(jì)具有按鍵調(diào)節(jié)、LCD顯示等功能的恒流電子負(fù)載。恒流電子負(fù)載可通過檢測(cè)電源的輸出電壓和輸出電流，將檢測(cè)結(jié)果加以顯示；通過自身設(shè)定，改變流經(jīng)負(fù)載電流值，測(cè)試負(fù)載調(diào)整率等功能特點(diǎn)；恒流控制基于電壓負(fù)反饋原理控制MOS管的導(dǎo)通時(shí)間加以精確的控制。

恒流電子負(fù)載主要由恒流控制與功率電路、電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、過壓與過流保護(hù)電路、控制板電源電路組成，顯示電路主要由128*64LCD組成，承擔(dān)各種數(shù)量及狀態(tài)的顯示功能；按鍵功能輸入電路承擔(dān)電路功能設(shè)備設(shè)定及調(diào)節(jié)作用。其核心控制器為STM32F107芯片，協(xié)調(diào)各功能電路的采樣、數(shù)據(jù)處理、控制輸出及輸入輸出功能。恒流電子負(fù)載功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

恒流電子負(fù)載功能結(jié)構(gòu)的工作原理為：某被測(cè)電源設(shè)備安裝調(diào)試好后，要對(duì)該電源設(shè)備的性能進(jìn)行測(cè)試，如電源負(fù)載調(diào)整率、參數(shù)的測(cè)定等。此時(shí)可在鍵盤中輸入測(cè)試范圍，該設(shè)定信號(hào)由控制器讀入后，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的指令，控制恒流電路，恒流電路將按設(shè)定要求輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)功率器件，以特定的時(shí)間和速率逐漸導(dǎo)通，使被測(cè)電源輸出電流由零至額定值發(fā)生變化，被測(cè)電源的變化必將引起該電源本身的輸出電壓變化，電壓電流檢查電路檢測(cè)到電源負(fù)載變化而引起的電壓變化量后，將此電壓變化量送回控制器分析和計(jì)算，計(jì)算出該電源負(fù)載調(diào)整率后送顯示電路反饋測(cè)試結(jié)果，以確定被測(cè)電源的性能。

圖1　恒流電子負(fù)載功能結(jié)構(gòu)

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1主電路設(shè)計(jì)原理

恒流電子負(fù)載電路設(shè)計(jì)原理如圖2所示，其中，VREF為給定信號(hào)，Q3為電路的取樣電阻。恒流電子負(fù)載電路的工作原理為：當(dāng)給定電壓VREF時(shí)，如果Q3電阻上的電壓小于給定電壓VREF，比較器U1的反相輸入端-IN小于同相輸入端+IN，則比較器U1加大輸出電壓，作為負(fù)載的MOS管也加大導(dǎo)通，從而使流過Q3的電流加大。如果Q3電阻上的電壓大于給定電壓VREF，反相輸入端-IN大于同相輸入端+IN，則比較器U1減小輸出，也使作為負(fù)載的MOS管減小導(dǎo)通，流過Q3電阻上的電流減小，電路最終維持在恒定的給定值上，從而實(shí)現(xiàn)恒流工作的目的。用歐姆定律I=U/R可計(jì)算出恒定的電流值，如果給定電壓VREF為4V，Q3為0.1Ω時(shí)，則電路恒流為40A。由此可知，只要改變給定電壓VREF的值，即可得到想要的恒流值。本電路的給定電壓VREF根據(jù)測(cè)試需要由人工設(shè)定，通過ADC芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送MCU控制調(diào)節(jié)其輸入，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)智能恒流電子負(fù)載。

圖2　恒流電子負(fù)載電路設(shè)計(jì)原理

2.2控制板供電源電路設(shè)計(jì)

由于核心控制器STM32F107等電路需要5V穩(wěn)定的直流電壓供電，而控制主電路的繼電器等電路需要12V直流電壓供電，因而電子負(fù)載控制板設(shè)計(jì)了12V、5V兩種電源電壓。220V市電經(jīng)變壓器后降為15V，經(jīng)橋式整流電容濾波后得到18V直流電壓，此電壓經(jīng)穩(wěn)壓得到12V、5V所需電壓。

12V直流穩(wěn)壓電路以LM2576開關(guān)穩(wěn)壓集成為核心，由輸入電容、輸出電容、輸出電感、續(xù)流二極管元件等電路組成，有4個(gè)外圍元件，可大大提高電路的穩(wěn)定性、可靠性，如圖3所示。該穩(wěn)壓集成包括比較器、放大器、52kHz振蕩器、1.23V基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路、過流限制電路、熱關(guān)斷電路及內(nèi)部穩(wěn)壓電路等。為得到各種穩(wěn)定的輸出電壓，內(nèi)部將比較器的負(fù)端接基準(zhǔn)電壓（1.23V），正端接分壓電路，其中，下分壓電阻通常先用1kΩ（可調(diào)-ADJ時(shí)開路），上分壓電阻制造時(shí)根據(jù)不同的輸出電壓，配備不同的分壓電阻值，12V電壓通常選配8.84kΩ電阻。穩(wěn)壓集成電路的工作原理為：將輸出電壓反方向送回內(nèi)部分壓電路，經(jīng)分壓后有電壓同內(nèi)部基準(zhǔn)穩(wěn)壓值1.23V進(jìn)行比較，若兩者有偏差，此偏差信號(hào)經(jīng)放大器放大后，控制振蕩器輸出占空比，從而調(diào)節(jié)輸出電壓保持在設(shè)定的穩(wěn)定值上。

圖3　12V直流穩(wěn)壓電路

對(duì)續(xù)流二極管的選取設(shè)計(jì)，通常要求續(xù)流二極管D1的額定電流要大于最大負(fù)載電流的1.2倍，考慮負(fù)載發(fā)生短路的特殊情況，續(xù)流二極管D1的額定電流須大于LM2576穩(wěn)壓集成最大電流的限制，而D1的反向電壓值須大于最大輸入電壓值的1.25倍。本電路取1N5822肖特基二極管。

電感量L1的取值，根據(jù)LM2576穩(wěn)壓集成的輸出穩(wěn)壓值、最大負(fù)載電流值、最大輸入電壓值等參數(shù)計(jì)算，依據(jù)公式計(jì)算出電壓·微秒常數(shù)（E·T），即：

其中，f為工作振蕩頻率值（52kHz），Vin為最大輸入電壓值，Vout為輸出電壓值。待E·T確定后，可根據(jù)E·T和負(fù)載電流曲線查找所需的電感。本電路依據(jù)計(jì)算結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)值取電感量L1的值為100uH。

輸出電容C的取值，依據(jù)公式計(jì)算，即：

其中，Vin為輸出電壓值，Vout為最大輸入電壓值、L為經(jīng)計(jì)算并查表選出的電感L1的值（uH）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果和設(shè)計(jì)要求，本電路取電容量為1000μF，取電容耐壓值為25V的電容器。

5V直流穩(wěn)壓電路選用LM7805，將LM2576穩(wěn)定的12V電壓，經(jīng)R1降壓到8V左右，作為L(zhǎng)M7805三端穩(wěn)壓集成輸入電壓，經(jīng)LM7805線性穩(wěn)壓成5V后，送主板控制器等電路，如圖4所示。

圖4　5V直流穩(wěn)壓電路

2.3恒流控制與功率電路設(shè)計(jì)

恒流控制與功率電路主要由基準(zhǔn)設(shè)置電路、信號(hào)反饋電路、比較放大電路和MOS管電路組成；電壓檢測(cè)與過壓保護(hù)電路，主要由R18、R19分壓取樣電路、U4A和外圍電路組成；電流檢測(cè)與過流保護(hù)電路，主要由R16電流取樣、U3B和外圍電路組成。恒流控制與功率電路如圖5所示。

圖5　恒流控制與功率電路

實(shí)時(shí)對(duì)電子負(fù)載兩端的電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)，然后由ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，送控制器STM32F107對(duì)檢測(cè)的電壓、電流處理，以達(dá)到恒流控制與功率電路控制的目的，從而實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載的功能。電壓信號(hào)經(jīng)R18、R19分壓取樣后，經(jīng)U4A運(yùn)放和D1、D6組成的放大及電平轉(zhuǎn)換電路處理的VF電流信號(hào)，送ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送控制器處理實(shí)現(xiàn)電壓測(cè)量，如圖6所示。另一路經(jīng)R16將被測(cè)電流信號(hào)取出，經(jīng)U3B運(yùn)放和D3、D4組成的放大及電平轉(zhuǎn)換電路處理的IF電流信號(hào)，送ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送控制器處理實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量，如圖7所示。

圖6　電壓測(cè)量電路

圖7　電流測(cè)量電路

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件程序的功能是計(jì)算控制、保護(hù)與顯示。由鍵盤設(shè)定值和測(cè)量反饋值進(jìn)行比較獲得偏差信號(hào)，或由保護(hù)采集電路獲得極值信號(hào)，將此兩種信號(hào)經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送控制器STM32F107處理，經(jīng)該控制器計(jì)算比較產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，再由DAC轉(zhuǎn)換成模擬控制信號(hào)控制相應(yīng)電路。因此，在軟件控制程序中首先對(duì)A/D、液晶顯示、控制變量、D/A進(jìn)行初始化，而后調(diào)用自檢程序，在自檢正常的情況下，調(diào)用鍵盤掃描處理程序、測(cè)量控制程序、液晶顯示程序，測(cè)量控制程序?qū)崟r(shí)地檢測(cè)被測(cè)電源功率負(fù)載回路的電流、電壓值，并進(jìn)行PID運(yùn)算，自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)，改變占空比，控制MOS管的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)恒流目的。系統(tǒng)軟件程序控制流程如圖8所示。

4　測(cè) 試

在電路完成設(shè)計(jì)、裝接、調(diào)試后，為使其性能、精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，采用高精度四通道示波器MS09104A、高精度六位半數(shù)字萬用表34401A對(duì)系統(tǒng)的恒流精度進(jìn)行測(cè)試，并利用5V標(biāo)準(zhǔn)電源對(duì)電子負(fù)載性能進(jìn)行測(cè)試。

圖8　系統(tǒng)軟件程序控制流程

測(cè)試條件1：恒流（CC）工作模式的電流測(cè)試范圍為100mA～1000mA，設(shè)置測(cè)試步進(jìn)為100mA，取設(shè)定值為100mA、500mA、800mA、1000mA四組代表性數(shù)據(jù)，在不同時(shí)段重復(fù)測(cè)量4次，測(cè)試結(jié)果見表1。測(cè)試結(jié)果表明，電子負(fù)載恒流穩(wěn)定性好，其精度達(dá)到±1%，滿足設(shè)計(jì)要求。

測(cè)試條件2：在恒流（CC）工作模式下，外加穩(wěn)壓電源輸出電壓5V以內(nèi)變化，在每次穩(wěn)壓電源輸出電壓等級(jí)調(diào)整后，設(shè)定電子負(fù)載的電流測(cè)試范圍為0mA～1000mA連續(xù)變化，采用高精度四通道示波器MS09104A、高精度六位半數(shù)字萬用表34401A測(cè)試時(shí)，當(dāng)電子負(fù)載兩端電壓變化5V時(shí)，測(cè)試結(jié)果見表2。在此基礎(chǔ)上，為使負(fù)載調(diào)整率范圍為0.1%～19.9%，在被測(cè)穩(wěn)壓電源和電子負(fù)載之間加RW=2Ω至10Ω的20W以上的功率電阻，對(duì)穩(wěn)壓電源及負(fù)載調(diào)整率進(jìn)行測(cè)試（見圖9），并開啟電子負(fù)載的自動(dòng)測(cè)試功能。

表1　100mA～1000mA的測(cè)試結(jié)果mA

表2　U=5V時(shí)的測(cè)試結(jié)果

圖9　穩(wěn)壓電源及負(fù)載調(diào)整率測(cè)試

由表2可知，電壓測(cè)量顯示誤差在±0.1%以內(nèi)；負(fù)載調(diào)整率與理論算出負(fù)載調(diào)整率[6-7]相符（SR=ΔU/U* 100%），在要求的負(fù)載調(diào)整率測(cè)試范圍內(nèi)（1%～19.9%），測(cè)量精度在±1%以內(nèi)，滿足了設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)束語

恒流電子負(fù)載恒流穩(wěn)定性好、精度高、負(fù)載變化范圍廣、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用中已能滿足一部分LED驅(qū)動(dòng)器和小功率電源的測(cè)試需求，特別在產(chǎn)品研發(fā)測(cè)試階段能大幅度降低測(cè)試的過程，提高產(chǎn)品開發(fā)的效率，縮短研發(fā)周期，收到很好的效果。當(dāng)然，恒流電子負(fù)載的功能還不夠完善，其精度也有待改善，完成涵蓋CC,CV和CP功能的設(shè)計(jì)是下一步的研究方向。

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[責(zé)任編輯：謝樹林]

Design of Constant Current Electronic Load Based on STM32

GU Zhiyang
(Electric and Electronic Engineering Department, Wenzhou Vocational & Technical College, Wenzhou, 325035, China)

To solve the problem that the accuracy difference of electronic load can not reach the constant current or constant pressure, a constant current electronic load was designed with STM32 as control core, integrating set settings, LCD display, voltage detection, current detection, extreme protection and other functions. It is tested that the electronic load has a stable constant currency, high accuracy, large range of load change, high efficiency, simple structure and has practical application value.

STM32; Constant current; Electronic load; Accuracy

V242.2

A

1671-4326(2016)01-0052-04

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2016.013

2015-06-03

谷志陽（1978—），男，浙江永嘉人，溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，高級(jí)技師，碩士.