基于反饋控制的恒流型電子負(fù)載的實(shí)驗(yàn)研究

在測(cè)量AC-DC和DC-DC電源、功率器件、電池、電池充電器等輸出能量或消耗能量時(shí)都需要負(fù)載，傳統(tǒng)的方法是利用固定電阻和可變電阻器來充當(dāng)被測(cè)負(fù)載。一種新興的電子儀器和測(cè)試設(shè)備———電子負(fù)載應(yīng)運(yùn)而生，他利用功率器件模擬電阻器，具有很強(qiáng)的操作靈活性。目前，電子負(fù)載技術(shù)發(fā)展的比較成熟，就其類型來說，一般有具有定電流（ CC）、定電阻（ CR）、定電壓（ CV）、定功率（ CP）

等工作模式。研究和開發(fā)新型的低成本的電子負(fù)載也成為一項(xiàng)有意義的工作。

1 恒流型（CC）電子負(fù)載結(jié)構(gòu)框圖介紹

恒流型（ CC）電子負(fù)載是用來測(cè)試電壓源的多種性能的專門設(shè)備。本文介紹一款恒流型電子負(fù)載的新方案，他基于反饋控制理論，采用模擬PI調(diào)解器，控制N溝道大功率MOSFETDE的導(dǎo)通強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)電流的無靜差控制。其控制精度高，電路簡單，成本低廉。圖1為恒流型電子負(fù)載的結(jié)構(gòu)框圖。直流穩(wěn)壓電源框是一款直流穩(wěn)壓電源電路，他提供恒流設(shè)定電壓、PI調(diào)節(jié)器工作電壓、電流檢測(cè)和轉(zhuǎn)換電路的工作電源，要求必須具有的功率輸出和較高的電壓穩(wěn)定指標(biāo)。恒流設(shè)定電路可提供線性的可調(diào)負(fù)極性電壓輸出。PI調(diào)節(jié)器由普通的運(yùn)算放大器構(gòu)成， PI參數(shù)用實(shí)驗(yàn)的方法調(diào)為最佳。執(zhí)行機(jī)構(gòu)為N溝道MOS管或MOS管組。

2 控制電路設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

要實(shí)現(xiàn)一個(gè)無靜差調(diào)節(jié)控制，就必須采用比例積分）微分控制規(guī)律。對(duì)本控制對(duì)象，采用比例）積分（ PI）

控制就能滿足要求。硬件電路如圖2所示。電路主要由倒相器， PI調(diào)節(jié)器， MOS管和霍爾電流傳感器組成。設(shè)計(jì)時(shí)一般從控制對(duì)象或執(zhí)行單元進(jìn)行。首先需要確定的是執(zhí)行單元的傳遞函數(shù)，即MOS管的放大系數(shù)K_s的確定。

2.1 MOS管的放大系數(shù)K_S的確定

測(cè)試電路如圖3所示。被測(cè)電壓源功率足夠大，輸出電流滿足測(cè)試要求。調(diào)節(jié)給定電位器W，測(cè)取MOS管G極電壓U_G和流過MOS管D-S極的電流IO得到一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表1中，從表中可以看出，當(dāng)UG≤2. 5 V時(shí)，MOS管不導(dǎo)通， I_O= 0，稱為死區(qū)。在U_G＞2. 5 V后， MOS管開始導(dǎo)通，當(dāng)U_G> 3. 3 V后，其關(guān)系呈線性變化。在線性段求取K_S.

2.2 電流反饋系數(shù)β的確定

也就是霍爾電流傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)的確定。設(shè)計(jì)中用到的電流傳感器為霍爾傳感器，輸入為電流，輸出為電壓，經(jīng)測(cè)試確定霍爾系數(shù)K = 0. 8 V/ A，即當(dāng)傳感器的輸入端電流為1 A時(shí)，輸出端的電壓為0.8V.β= K = 0. 8 V/A

2.3 PI調(diào)節(jié)器靜態(tài)放大系數(shù)K_P的確定

根據(jù)負(fù)反饋閉環(huán)控制原理有： K =βK_P K_S = 1 得：K_P = 1/ βK_S△0. 875V/A.根據(jù)此值，選取調(diào)節(jié)器輸入、輸出電阻值，以滿足R_F/R_I = K_P.

2.4 各電壓極性的確定和控制原理簡述

各電壓極性一般是由后向前推得， MOS管的控制電壓U_G為正（ + ） ，也就要求P_I調(diào)節(jié)器的輸出為正（ + ） ，又考慮到霍爾電流傳感器的輸出始終為正（ + ） ，為了構(gòu)成負(fù)反饋控制，則PI調(diào)節(jié)器的給定電壓應(yīng)為負(fù)（ - ）。所以PI調(diào)節(jié)器采用負(fù)相輸入，由前一級(jí)的倒相器將由電位器W產(chǎn)生的可調(diào)正電壓變?yōu)榭烧{(diào)的負(fù)電壓，作為恒流設(shè)定值加在調(diào)節(jié)器的輸入極，與由霍爾電流傳感器提供的電流反饋電壓進(jìn)行比較，根據(jù)偏差量和正負(fù)極性由PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)比例積分調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)電流（ I _O ）恒定。改變積分電容的大小，以滿足響應(yīng)快速性和穩(wěn)定性要求。

3 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果

表2是實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)規(guī)律看， U_GD （電位器W）和MOS管漏、源極電流I_O成較好的線性關(guān)系。且I_O / U_GD= 1/ β= 1/ 0. 8= 1. 25.實(shí)驗(yàn)中的調(diào)節(jié)響應(yīng)的快速性和抗擾性能都能調(diào)為最佳。

4 幾點(diǎn)說明和改進(jìn)措施

（1）由于采用了PI調(diào)節(jié)器， MOS管的死區(qū)不必專門設(shè)計(jì)電路來消除， MOS管的非線性在閉環(huán)內(nèi)自行消除。

（2）根據(jù)被測(cè)設(shè)備的性質(zhì)（阻性，感性，容性） ，總可以通過調(diào)節(jié)PI參數(shù)，以保證其快速性，穩(wěn)定性和抗擾性要求。

（3）該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性能?？蓪?shí)現(xiàn)數(shù)字給定和調(diào)節(jié)控制。

（4）對(duì)于要求測(cè)試電流較大時(shí)，可以考慮用多只MOS管的并聯(lián)組合來擴(kuò)大負(fù)載容量，如圖4所示為2只MOS管的并聯(lián)組合，在此情形下，K_{`S</sub>= mK<sub>S</sub>； K<sub>`P} = K_P/m,m為所并MOS管的個(gè)數(shù)。

（5）當(dāng)擴(kuò)容后，需要考慮增加MOS管驅(qū)動(dòng)電路。

（6）此電路中沒有耗能元件，所有的負(fù)載功率消耗僅由環(huán)路內(nèi)元件承擔(dān)，主要是MOS管自耗。受MOS管自身的功耗性能限制，允許流過的電流不可能太大，即使采用并聯(lián)電路等擴(kuò)容措施。所以正常使用時(shí)要充分考慮MOS管的散熱。