一种多通道电子负载的设计

郑彦朴 杨炯 丁常坤

摘  要：保障电源质量的关键在于负载。本文从多通道电子负载的设计出发，探讨电子负载的设计理念。相比于单通道电子负载，多通道电子负载能同时对多个电源进行测试，还可以并连起来测试大功率电源，在技术上，多通道电子负载虽然不是单通道电子负载的简单堆叠，但关键技术是一样的，因此，理解了单通道电子负载的设计理念，自然而然就可以对多通道电子负载设计上手。本文介绍一种多通道电子负载的设计方案：将多通道电子负载分成主机控制板、从机控制板、功率耗散板、电源板4部分来设计，对整体的方案和各部分方案进行详细的说明，使多通道的设计更加简易明了。经过系统调试和测试，依照这种方案设计出来的多通道电子负载运行稳定，能够长时间运行，符合设计要求。

关键词：多通道;电子负载;散热;场效应管

中图分类号：TN710     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）16-0051-02

Abstract：To ensure the quality of power supply，the key lies in the load. This paper discusses the design concept of multi-channel electronic load. Compared with single-channel electronic load，multi-channel electronic load can test multiple power sources at the same time，and can also test superpower power sources together. Technically，multi-channel electronic load is not a simple stack of single-channel electronic load，but the key technologies are the same，therefore，to understand the design concept of the single channel electronic load can be naturally to multi-channel electronic load design. This paper introduces a design scheme of multi-channel power supply：the multichannel to design the electronic load is divided into four parts：the host control panel，from the machine control panel，power dissipation board，power board，scheme and each part of the whole scheme in detail，the design of multi channel is more simple and easy to understand，through the system debugging and testing，the design of multi-channel electronic load running is stable，able to run for a long time，meet the design requirements.

Keywords：multi-channel;electronic load;heat dissipation;field effect tube

0  引  言

随着科学技术的发展，各种电子产品层出不穷，决定着电子产品能否正常运行最重要的因素是电源，而保证电源质量的关键是负载。早期的负载器主要是采用恒定负载阻值的方式，其主要是根据实际所需的电流值和电压值计算出实际所需的电阻值，然后选择相应功率的电阻来进行实际电路的搭建。这种方法的缺点是功率受限、测量范围有限[1]。电子负载的发明与应用提高了电源测试的质量与效率，有利于自动测试系统平台的建立。市面上常见的电子负载是单通道单机型，在工厂化的电源测试系统中，同一时间一台电子负载只能满足一个电源的测试。为了提高生产测试效率，需要多买几台电子负载组成系统来同时对多个电源模块进行测试。但這种方式存在的问题是多台电子负载的总成本较高、所占空间较大，而多通道电子负载刚好可以解决这个问题。

1  电子负载的介绍

金属氧化物半导体场效应管（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源电压控制的可变电阻[2]，这部分区域称为可变电阻区，而电子负载是通过调节场效应管的可变电阻区来得到相应负载值的设备。其通过检测场效应管两端电压和流过场效应管的电流，按所需要达到的电压或电流来调整可变电阻区。常见的有定态测试、动态测试、顺序测试、电池测试、短路测试和自动测试等多种测试功能。主要应用于直流电源、电池、AC-DC模块、DC-DC模块及充电器等产品性能测试，为设计研发、生产线测试提供最佳的解决方案。

2  方案设计

2.1  整机方案

电子负载的设计包括主控电路、采样控制电路、功率电路、供电电源电路。按模块化的设计思路，多通道电子负载的设计分为4个模块：主机控制板、从机控制板、功率耗散板、电源板，整体方案如图1所示。从机板以板卡形式插在主机板卡上，从机板与功率板之间通过耐高温、大电流的硅胶线进行连接，电源板为上述3个部分供电。

主机控制板与上位机通过RS232进行通信，通过上位机的操作来控制各通道的恒流（CC）、恒压（CV）、恒功率（CW）和恒阻（CR）模式，同时也可以实现通道选择、同步带载、同步触发、并联控制、动态功率分配等功能，在上位机上显示各通道的电压和电流、功率回读值。

2.2  各部分整体设计方案

（1）主机控制板：采用M0系列单片机作为整个系统的控制核心，与上位机之间通过RS232接口进行通信，与4个从机卡通过UART总线进行通信。（2）从机控制板：采用M0系列单片机作为从机板卡的控制核心，负责与主机板卡通过UART总线进行通信，负责对功率耗散板上的电压电流进行采样，控制该通道进入恒流恒压状态。（3）功率耗散板：系统中的4个相互隔离的功率消耗部分，配合散热器和风扇及时将热量传导到空气中。每块板卡含温度检测电路和风扇控制电路。（4）电源板：多通道电子负载要求每个通道互相独立，因此需要设计每个通道的独立电源，为主机控制板、4个从机卡和4个功率耗散板分别供电。

3  各部分设计

3.1  主机控制板设计

（1）通信接口：与主机通过RS232接口通信;与4个通道的从机通过UART总线通信。（2）控制核心：选择Cortex-M0系列单片机，带有至少5对串口。（3）接插件：用于固定4个从机板的板卡连接器。

3.2  从机控制板设计

（1）主控电路：Cortex-M0系列单片机最小系统电路设计。（2）采样电路：电压、电流采样电路设计，采样电路的元器件要求低温漂、高精度，才能保证采样电路的精度。（3）控制电路：恒流、恒压控制电路设计。（4）保护电路：反接保护电路、软启动电路。（5）监控电路：电流、电压监控电路设计，可连接到示波器，用于观察电压电流的变化波形。

3.3  功率耗散板设计

该部分主要电路如图2所示，控制信号CTR通过运放搭建的MOS管驱动电路来控制MOS管的导通情况，从而得到等效的电阻值。设计的关键点如下：（1）选用高压、大功率的场效应晶体管，MOS管比三极管的优势在于驱动电路相对简单，耐压较高。（2）将多路MOS管并联，为了保证每一路的电路均衡，防止出现炸管情况，需要在每一路串联一个均流电阻。由于MOS管与电阻的温度系数相反，两者串联起到相互制约的效果，从而使得每一路的等效电阻相等，达到均流效果。（3）采样电阻可选锰铜电阻，锰铜电阻具有低至10PPM/℃的温漂，低至0.1%的精度，可保证电流的采样精度。（4）场效应管产生的热量通过采用散热器加风扇的方式，排到大气中。热设计的注意点如下：1）根据电子负载所需耗散的最大功率向散热器厂家定制散热器，定制回来后进行严格的测试。2）通过温度传感器检测散热器上的温度，分阶段来调节风扇风速，按PWM方式逐步调整风扇转速，配合场效应管快速将产生的热量排出。3）由于需要保证多通道电子负载的每个通道互不干扰，因此每个通道的散热器之间均需要保持一定的距离。

3.4  电源板设计

（1）主机板上的MCU需要3.3V供电，主机板上的数字电路对纹波的要求不高，可采用开关电源方式。（2）从机板上的MCU需要3.3V供电，运放需要±12V供电，基准芯片需要5V供电，从机的模拟电路部分对电源纹波敏感，需采用线性电源方式。（3）风扇电路部分需要9V供电，可采用开关电源方式。（4）主板和从机板之间、各从机板之间的电源都需要互相独立。（5）综合上述几种供电情况，可采用現成的开关电源适配器的方案，对于模拟电路采用加线性稳压器的方式最大程度地减少纹波干扰，处理好地线减少共模干扰，其他模块可以直接使用开关电源。

4  结  论

本文给出了一种多通道电子负载的模块化设计方案，将多通道电子负载系统分成主机控制板、从机控制板、功率耗散板、电源板4大模块，并对每个模块的设计方案进行详细介绍，降低了多通道电子负载的设计难度。当然，该设计方案只是简化版，多通道还有很多功能可以添加，在生产中，将多通道整合到测试系统平台中，将大大提高电源类产品的生产效率，促进电子设备的发展。

参考文献：

[1] 徐超，武东健，吴永红，等.一种多通道电子负载器的设计 [J].宇航计测技术，2015，35（6）：82-85.

[2] 李卫华，谢珩.关于电子模拟负载研究现状的探讨 [J].新余高专学报，2005（2）：47-49.

作者简介：郑彦朴（1991.10-），男，汉族，广东汕头人，硬件工程师，本科，研究方向：电子负载技术研究。