納米軟件（Namisoft）基于 DSP 的電子負載研究意義及名詞解釋

如何科學(xué)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，采用有級調節，負載形式單一，功率小�，F實(shí)中的實(shí)際負載形式比較復雜，通常都是動(dòng)態(tài)的，即負載隨時(shí)間、頻率在不斷的變化，傳統的靜態(tài)負載越來(lái)越不能滿(mǎn)足電源測試的要求。因此，國內外學(xué)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(xiàn)性、非線(xiàn)性和特殊負載的電特性，達到對被測設備各種電特性的測試目的。同時(shí)將電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)引入負載裝置，設計成數字電子負載，建立相應的軟件操作界面，不但可以實(shí)現傳統靜態(tài)負載的一些基本功能，而且可以在原有負載的基礎上通過(guò)升級軟件，實(shí)現更多的功能：

（1）預設測試值。在恒流模式下，測試電池2A電流的放電特性，將設定值輸入電子負載，接上測試電源，電子負載將按照設定的2A的電流開(kāi)始給電池放電，全程自動(dòng)完成測試任務(wù)。
（2）測試參數的保存。當電子負載在生產(chǎn)線(xiàn)上應用時(shí)，可為待測試產(chǎn)品設定一組數據并保存下來(lái)，當下次再測試這個(gè)產(chǎn)品時(shí)只要調出來(lái)使用就行了，而不用再從新設計參數。
（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(shí)按照設定的測試模式下，根據測試參數的不同自動(dòng)控制輸入信號。
（4）數據保存功能。少量的數據可暫時(shí)保存于DSP的RAM上，長(cháng)期保存的較大c的數據，需要通過(guò)串口把傳到上位機上，保存到電腦硬盤(pán)里面。
（5）控制策略調用。對不同的待測電源，調用上位機里面不同的控制算法來(lái)實(shí)現不同的控制策略，適應不同產(chǎn)品的電源特性，滿(mǎn)足測試的精度要求。
數字式電子負載與傳統的模擬電阻性負載相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）體積小、重量輕、節約電能。由于電子負載系統沒(méi)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備，因而節約了安裝空間和降低了實(shí)驗設備成本。
（2）減低了電源測試時(shí)的勞動(dòng)強度，若采用傳統的電阻性負載，要根據不同的所測試設備選擇組裝不同的器件，測試時(shí)操作又繁瑣。電力電子負載可以根據設定自動(dòng)完成測試任務(wù)，簡(jiǎn)化測試工作。
在過(guò)去的幾年中，最顯著(zhù)的是功率半導體器件驅動(dòng)的負載性質(zhì)的變化。市場(chǎng)正從按照負載類(lèi)型（如：電動(dòng)機、磁盤(pán)驅動(dòng)器、電視機線(xiàn)圈、熒光燈）劃分轉變?yōu)榧冸娮迂撦d（如IC）占功率半導體應用市場(chǎng)的主要份額上來(lái)。這一成長(cháng)的市場(chǎng)集中體現在功率半導體產(chǎn)品的革新，也為新型控IC創(chuàng )造了市場(chǎng)機會(huì )。其成長(cháng)之迅速使得業(yè)界還特別為描述該市場(chǎng)定義了一個(gè)新名詞：電源管理，從開(kāi)辟了IC電子負載的新天地。近年來(lái)，由于數字信號處理器、電力電子以及控制理論和控制方法的快速發(fā)展，數字控制系統已成為控制技術(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(chǎng)。
1.2電子負載研究的現狀

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(chǎng)和電流不能突變。當負載電流滯后負載電壓一個(gè)相位差時(shí)，負載為感性，如負載為電動(dòng)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(gè)相位差時(shí)，負載為容性，如負載為補償電容。
阻性負載：當電流和電壓沒(méi)有相位差時(shí)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(shí)負載電路呈容性，容抗小于阻抗時(shí)為感性。
1.2.2傳統的負載

過(guò)去人們往往使用一些互連的低功率瓷盤(pán)電阻、滑線(xiàn)變阻器或電阻箱作為測試負載，這些負載分辨率低，阻值會(huì )因接觸不良和發(fā)熱發(fā)生變化。并且有如下缺點(diǎn)：設備笨重，攜帶不便，調節費力，精度難以保證；負載電流不能連續調節，從零調到滿(mǎn)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、數字化的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上，更不能測試電源的動(dòng)態(tài)參數。
1.2.3現代的電子負載

隨著(zhù)功率場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和場(chǎng)效應晶閘管等主要開(kāi)關(guān)器件的出現以及電力電子變換器拓撲的發(fā)展，現代電子負載是利用有源元件主動(dòng)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負載，靠控制功率管或晶體管的導通量（占空比大�。�，通過(guò)功率管的耗散功率消耗電能的設備。它能夠準確檢測出負載電壓，精確調整負載電流，同時(shí)可以實(shí)現模擬負載短路，模擬負載是感性電阻或容性電阻，從而可以模擬真實(shí)環(huán)境中的負載即用電器，實(shí)現對負載電流的實(shí)時(shí)調節和控制。
現有電子負載的大都是模擬控制環(huán)節，調節和控制的適應性和實(shí)時(shí)性差，不能適應不同電源供應器的具體情況。電子負載的數字化和智能化關(guān)鍵在于控制模塊的數字化，用DSP來(lái)實(shí)現數字電子負載即用DSC取代傳統電子負載上的控制芯片MCU，使用更合理的控制算法來(lái)實(shí)現控制要求。帶有MIPS的數字信號處理器，除明顯的改善產(chǎn)品性能外，還大大的簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的設計過(guò)程。TMS320F28x系列其強大的CPU處理能力，可以運行多種非線(xiàn)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(lèi)

電子負載常用的有恒阻和恒流兩大類(lèi)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在的使用的實(shí)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(shí)際，為廣大測試人員的首選。
從電源類(lèi)型來(lái)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(shí)間長(cháng)，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(lái)模擬負載，通過(guò)分析等值電路，可以實(shí)現模擬定電阻、定電壓等特性。隨后將單片機技術(shù)應用到電子負載中，實(shí)現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(dòng)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的真實(shí)阻抗負載，它能模擬一個(gè)固定或者變化的負載，甚至將試驗的電能反饋回電網(wǎng)，其電路結構如下圖1.1所示。

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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(lái)分，可分為晶體管式電子負載、場(chǎng)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(guò)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(gè)可變負載的目的。利用大功率晶體管作為一個(gè)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(guò)Rd的電壓信號作為誤差放大器的反相端的一個(gè)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(méi)有關(guān)系。我們通過(guò)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(wú)論負載電壓怎樣變化，回路中的負載電流都維持在一個(gè)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(shí)際負載。
并且，晶體管還存在溫度系數為負的問(wèn)題，所以使用過(guò)程中還需考慮溫度補償的問(wèn)題。

場(chǎng)效應晶體管式電子負載：場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）工作在不飽和區時(shí)，漏極與源極之間的伏安特性可以看作是一個(gè)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(diǎn)，而且無(wú)機械觸點(diǎn)，無(wú)運動(dòng)部件，噪聲低，壽命長(cháng)。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(shí)際負載。
傳統的以MOSFET作為電阻負載的原理圖，見(jiàn)圖1.2.由圖可以看出，通過(guò)運放及反饋來(lái)控制MOSFET的柵極電壓，從而達到其內阻變化的目的。

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絕緣柵雙極型晶體管式電子負載：絕緣柵雙極型晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)IGBT，IGBT工作在不飽和區時(shí)，其射極與集電極之間的伏安特性可以看作是一個(gè)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(lái)模擬動(dòng)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(guò)計算機編程，來(lái)控制IGBT柵極電壓的變化，從而達到IGBT作為可變負載時(shí)需要的變化阻值。這種電子負載是主要用來(lái)完成對弧焊電源動(dòng)特性的測試。

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從能量的觀(guān)點(diǎn)來(lái)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(chǎng)試驗。圖1.4為電子負載試驗示意圖。

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同時(shí)，可得到它們的數學(xué)模型為：

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分別解方程式，則有：

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在模擬阻感負載時(shí)，電網(wǎng)電壓在一定范圍內恒定，被測電源輸出電流的大小直接正比于系統所模擬的功率的大小，即正比于交流側電流的大小，而電流的設定值若按上式（1.4）的給定進(jìn)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(shí)通過(guò)對R、L值的設定即可實(shí)現對模擬功率的設定。同理，模擬純電阻負載時(shí)，電流設定值按上式（1.5）的給定取值即可。該負載有節約能源的目的，但前提條件是需要掌握實(shí)際負載的數字模型，對一些數學(xué)模型尚未清楚的實(shí)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，是根據節約能源、減少開(kāi)支和試驗自動(dòng)化的要求而設計的，它可以在完成測試功率試驗的前提下，將待測試設備的輸出能量大部分無(wú)污染的反饋回電網(wǎng)，節約了大部分能源，實(shí)現了能量的循環(huán)再生利用。
1.3研究的內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(shí)現簡(jiǎn)單的控制功能，但是調節和控制的適應性和實(shí)時(shí)性差，特別是隨著(zhù)電源產(chǎn)品測試的實(shí)時(shí)性和精度的要求的提高，需要處理的數據量越來(lái)越大，低檔的單片機已不再能滿(mǎn)足要求。與單片機相比，DSP器件采用改進(jìn)的哈佛結構，具有獨立的程序和數據空間，允許同時(shí)存取程序和數據，片內集成了A/D和采樣/保持電路，內置高速的硬件乘法器，增強的多級流水線(xiàn)，使DSP器件具有高速的數據運算能力。采用DSP（數字信號處理器）的電子負載，可以對負載電流上升和下降變化速率采取數字化實(shí)時(shí)控制，自動(dòng)的調節負載電流，適應不同的電源的測試特性要求，研究的主要內容為：（1）、確定實(shí)現數字電子負載的方案的可行性。
（2）、設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計。
（3）、結合TMS320LF2812和信號板模擬電路，研究數字PID控制器，通過(guò)控制MOS管的門(mén)極電壓大小，來(lái)達到控制信號板上負載電流大小的目的。
（4）、依據控制系統的功能要求，編寫(xiě)各個(gè)單元模塊控制系統的軟件程序。
（5）、完成直流電子負載的硬件電路和軟件電路調試后，連接硬件電路載入軟件進(jìn)行系統聯(lián)調，根據實(shí)際情況修改電路和改進(jìn)軟件算法。
（6）、簡(jiǎn)化直流電子負載控制系統模型，進(jìn)行在MATLAB中簡(jiǎn)化仿真，設計不同的控制算法，驗證各種控制策略的可行性。
（7）連接市場(chǎng)上銷(xiāo)售的電源產(chǎn)品進(jìn)行測試，并對測試結果進(jìn)行分析，根據測試的負載特性曲線(xiàn)，檢驗控制方案的正確性和可行性，研究探討實(shí)際應用中存在的問(wèn)題，加以改進(jìn)。
基于DSP的直流電子負載系統設計應當滿(mǎn)足以下要求：

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