东华理工大学毕业论文（论文） 第二章 电子负载硬件系统设计
converter)，落在R17上的电压降通过PI调节器与基准电压（VERF）比较，控制MOS管的导通量变化与截止，从而达到保持电流恒定的目的。这种电阻适用于高功率及高电流的电源供应器，电路板的电路侦测，具有稳定性佳，低温度系数，散热性好的特性。
2.5.3 输入的模拟量采样
U5VCC1Ua123GND48VCC7P3.46P3.35P3.2
图2-10 tlc1549引脚图
TLC1549
图2-11 tlc1549时序图
（1）TLC1549工作原理
TLC1549具有6种串行接口时序模式，这些模式是由I／O CLOCK周期和CS定义。根据TLC1549的功能结构和工作时序，其工作过程可分为3个阶段：模拟量采样、模拟量转换和数字量传输。如图2-11所示为TLC1549的时序图。 （2）输入模拟量采样
在第3个I／O CLOCK下降沿，输入模拟量开始采样，采样持续7个I／O CLOCK周期，采样值在第10个I／O CLOCK下降沿锁存。 （3）数字量得传输
当片选CS由低电平变为高时，I／O CLOCK禁止且A／D转换结果的三态串行输出DATA OUT处于高阻状态；当串行接口将CS拉至有效时，即CS由高变为低时，CS复位内部时钟，控制并使能DA-TA OUT和I／O CLOCK，允许I／O CLOCK工作并使DATA
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OUT脱离高阻状态。串行接口把输入／输出时钟序列供给I／O CLOCK并接收上一次转换结果。首先移出上一次转换结果数字量对应的最高位，下一个I／O CLOCK的下降沿驱动。DATA OUT输出上一次转换结果数字量对应的次高位，第9个I／OCLOCK的下降沿将按次序驱动DATA OUT输出上一次转换结果数字量的最低位，第10个I／OCLOCK的下降沿，DATA OUT输出一个低电平，以便串行接口传输超过10个时钟；I／O CLOCK从主机串行接口接收长度在10～16个时钟的输入序列。CS的下降沿，上一次转换的MSB出现在DATA OUT端。10位数字量通过DATA OUT发送到主机串行接口。为了开始传输，最少需要10个时钟脉冲，如果I／OCLOCK传送大于10个时钟，那么在第10个时钟的下降沿，内部逻辑把DATA OUT拉至低电平以确保其余位清零。在正常转换周期内，即规定的时间内CS端由高电平至低电平的跳变可以终止该周期，器件返回初始状态(输出数据寄存器的内容保持为上一次转换结果)。由于可能破坏输出数据，所以在接近转换完成时要小心防止CS拉至低电平。
2.6 电流取样PI控制器等组成的负反馈控制模块
电子负载的核心实质是一个电流取样PI控制器组成的负反馈控制环路，也是电子负载的功率控制电路。MOS管在这里既作为电流的控制器件同时也作为被测电源的负载。采样电阻R17电流－电压转换元件(I/V converter)，落在R17上的电压降通过PI调节器与基准电压（VERF）比较，控制MOS管的导通量变化与截止，从而达到保持电流恒定的目的。
R1360K-VREFR1140K12V0.75uFQ2IRFP460R18100KC5R+UfR1240KOP37-12VR1412VR151KOP37U5VCC1Ua123GND48VCC7P3.46P3.35P3.2R161KVCC1Ub123GND4U4-12VUbUaR1910KR17o.25R-12VR201KOP378VCC7P3.76P3.65P3.5-12VR211KTLC1549TLC1549 图2-12电流取样PI控制器等组成的负反馈控制电路
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如图2-12所示为电流取样PI控制器等组成的负反馈控制电路。这个电路中，设定值与实际值相比较。当R17上的电压降Uf即实际值大于设定值VERF时，通过PI调节器的调节，减小MOS管的导通角，减小MOS管的导通量，使MOS管的内阻增大，流过电阻R17的电流减小，则电压降Uf慢慢减小并等于设定值，从而实现电子负载的恒流工作模式；当R17上的电压降Uf即实际值小于设定值VERF时。通过PI调节器的调节，增大MOS管的导通角，增大MOS管的导通量，使MOS管的内阻减小，流过电阻R17的电流增大，则电压降Uf慢慢增大并等于设定值，从而实现电子负载的恒流工作模式，这是一个PI调节器调节过程。
2.7 PI调节器
对于电子负载的设计需要较高的精确度，同时控制MOS管的导通量的变换也需要一个不停的变化调节过程，而不是传统的采用运放比较器组成的反馈电路来实现。传统的仅靠比较器来比较设置值与实测值，比较后的输出作用于MOS管。这样组成的反馈系统误差很大、精度低，只能控制MOS管的通或断，就只有全导通或全关闭两种极值情况，很难准确的消除误差实现其恒流模式的控制。所以需要一个更加精确的调节器来控制MOS管的导通量，使其导通角能够在可承受电压范围内，按照偏差的大小，对实测值与给定值的偏差分别进行比例和积分运算，取其和构成连续信号以控制调节导通角的增大或缩小达到设定值等于实际值。
R1360K-VREFR1140KC5UinUex12V0.75uFUexUexmUfR1240KOP37-12VR14KpiUin
0t
图2-13 PI调节器 2-14 PI调节器的输出特性
如图2-13所示为 PI调节器，PI调节器的输出电压Uex由比例和积分两个部分组成，在零初始状态和阶跃输入信号作用下，其输出电压的时间特性如图2-14 所示，由图可以看出比例积分作用的物理意义。当突加输入电压Uin时，由于开始瞬间电容
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C相当于短路，反馈回路只有电阻R1，使输出电压Uex突跳到KPIUin。此后，随着电容C被充电，开始体现积分作用，Uex不断线性增长，直到达到输出限幅值或运算放大器饱和。这样，当单闭环调速系统采用比例积分调节器后，在突加输入偏差信号△Un的动态过程中，在输出端Uct立即呈现Uct=KPI△Un，实现快速控制，发挥了比例控制的长处；在稳态时，又和积分调节器一样，又能发挥积分控制的作用，△Un=0，Uct保持在一个恒定值上，实现稳态无静差。
因此，比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能够迅速响应控制作用，积分控制则最终消除稳态偏差。作为控制器，比例积分调节器兼顾了快速响应和消除静差两方面的要求。故PI调节器应用在电子负载的设计中，实现对MOS导通角的有效控制，具有积分作用的调节器，只要被调量即电子负载电路中的实测值与设定值之间有偏差，其输出就会不停的变化。反复调节，消除稳态误差，实现无静差的调节。
PI调节器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差
e(t)= r(t)—c(t) （2-5） 将偏差的比例（P）和积分（I）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律为
u(t)?Kp[e(t)?1TI（2-6） ?e(t)dt]
0t其中u(t)为PI控制器的输出，e(t)为PI调节器的输入，Kp为比例系数，TI为积分时间常数。
1．比例环节即时成比例的反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。通常随着Kp值的加大，闭环系统的超调量加大，系统响应速度加快，但是当Kp增加到一定程度，系统会变得不稳定。
2．积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之越强。通常在Kp不变的情况下，TI越大，即积分作用越弱，闭环系统的超调量越小，系统的响应速度变慢。
本次电子负载设计，为了较快且更加精确的消除误差。对于PI调节器，如图2-14 所示的PI调节器，取R11、R12=40K，R13=60K ,C=0.75uF
Kp=R13／R11=1.5 （2-6） 所以本设计的PI调节器的Kp取1.5，TI取0.03S。
TI= RC=0.03S （2-6）
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2.8 功率电路模块
2.8.1 电子模拟负载方式的选择
方案一：晶体管式电子模拟负载：晶体管是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。通过基极电流可以控制集电极电流，从而可以达到控制晶体管作为一个可变负载的目的。大功率晶体管构成的功率恒流源充当负载，通过吸收电源提供的大电流，从而模拟复杂的负载形式。即通过将恒压、恒流、恒阻误差信号经过放大，再送入逻辑或控制电路，用选中的误差信号来调整晶体管的内阻，以达到模拟变化负载的目的。由于晶体管属于电流控制性器件，在控制变化速度上较慢，因此适合模拟一些电流恒定或是变化缓慢的实际负载。其次，晶体管还存在温度系数为负的问题，所以在使用过程中还需要考虑温度补偿的问题。
方案二：场效应管式电子模拟负载：场效应晶体管(MOSFET)工作在不饱和区时，漏极与源极之间的伏安特性可以看作是一个受栅一源电压控制的可变电阻。用MOSFET作可变电阻具有工作速度快，可靠性控制灵敏等优点，而且既无机械触点，也无运动部件，噪声低、寿命长。MOSFET的通态电阻较大，且负载电流较小。所以MOSFET适合模拟一些变化速度较快，但电流不大的实际负载。
综合电子负载的特性，故选择方案二场效应管式电子模拟负载。 2.8.2 功率耗散MOS管的选型
方案一：采用MTY25N60E MOS管，它常用于电力领域的应用。专为高电压、高速开关芯片，可以应用于电力供应、电机控制、PWM变流器等领域。
方案二：采用IRFP460芯片，TIP122芯片效率比方案低，总功耗相对较高。其通用参数为：
（1）漏极－源极击穿电压Vdss=500V （2）静态导通电阻Rds(on)=0.25? （3）漏源连续导通电流Id=22A （4）功 率：Ptot=278W （5）极 性：NPN
鉴于MOS管的良好开关特性，在此次设计中，对被测电源功率的控制，也就是对电流的控制，故选用方案二。
场效应管是一种单极型晶体管，它只有一个P-N结，在零偏压的状态下，它是导通的，如果在其栅极(G)和源极(S)之间加上一个反向偏压(称栅极偏压)，在反向电场作用下，P-N变厚(称耗尽区)，沟道变窄，漏极电流变小。当反向偏压达到一定时，
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