TI杯大学生电子设计竞赛
题 目：简易电子直流负载
年 级： 学 校： 组 长： 组 员： 组 员：
2012年8月7日
1
简易直流电子负载
摘要：本系统以MSP430单片机系统为平台，设计和制作一台恒流工作模式的简易直流电子负载。采用了具有高共模抑制比电流分流监控器INA282实现对采样电阻两端电压的提取，同时由单片机输出指令电压，通过反馈回路输出电压控制三功率极管的电流，使电路自动调节，进而实现要求的高精度恒流负载制作；采用高精度A/D采样，同时加入过压检测保护，以及休眠模式，最终达到题目的指标要求。
关键词：MSP430 电流分流监控器 高精度 恒流源
2
一、 方案论证与比较
根据系统设计要求分析，本系统主要包括电流监控模块，恒流控制反馈环模块，AD采样及显示模块，方案论证主要围绕恒流源电路模块展开。
1.1 恒流源
方案一：通过单片机产生PWM控制3525产生不同幅度的电压进而控制MOS管导通与关断，从而产生恒流源。
图1 方案一框图
方案二：通过单片机控制三极管的基极电压大小，进而控制其IC，从而实现恒流源的制作。
图2 方案二框图
方案一中，3525可能存在输出偏差，且MOS管线性区比较窄，使MOS管无法在题目要求的范围内产生稳定的恒流源，对于三极管来说，其线性区比较宽，可以用单片机控制外加反馈回路，从而产生恒流源，因此选择方案二。 1.2 电流监视模块
方案一：采用微功耗仪表放大器INA122,对采样电阻两端电压进行提取，该放大器可通过调节外接电阻控制输出电压增益，增益可由5调节至10k。 方案二：使用高精度电流分流监控器INA282，当两个参考端都接地时，可实现稳定50倍电压增益。
方案一中仪表放大器存在共模输入电压必须远小于电源电压的问题，致使输入电压不能过大，不能够满足本题要求，相比于方案一，方案二可输入电源轨电压，且精度更高，因此选用方案二。 1.3 反馈环路
方案一：将采样电压及基准电压同时输入运放LM358，通过PI环反馈回路调节输出电压，从而实现对电流的调节。
方案二：通过比较器LM393对单片机输出的基准电压及采样电阻的两端电压
3
进行比较，通过输出电压控制三极管IC，从而实现电路的反馈调节。
方案二中，LM393电路测试中，当输入电压过大时，输出波形变化幅度过大，易使功率三极管工作开关状态，不能使三极管达到题目要求的恒流源输出，故选择方案一中输出电压平稳的LM358，且LM358可线性工作。
2 系统框图
直流电子负载功率器件+恒流电路控制器电压电流检测?键盘与显示被测电源设备
图3 系统整体框图
二、 理论分析与计算
2.1
恒流源电路
被测电源负载回路中，通过电流检测器INA282采集电流并放大，通过反馈形式输入LM358反相端，由R5、R6、C构成比例积分电路（PI环），在LM358同相端输入基准电压，使反馈环路的中的监测对象IC输出线性变化,达到恒流负载的控制目的。电路中Q1选取TIP132，达林顿三极管，达林顿管就是两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管，使电路简单化，同时TIP123的?值 远大于100，满足设计要求，取样电阻R1选取高精度低值采样电阻，精确采集电流，R1，且阻值为50m?，并防止INA282放大后超出A/D采集范围。
图4 恒流源电路
4
2.2 A/D、D/A模块
根据题目要求，输出电流设置范围100～1000mA,设置分辨率为10mA。精度为1%，则最低的分辨率为100mA*1%=1mA。而12位的D/A分辨率为212-1=4095，则步进为1mA，满足要求的10mA步进，D/A芯片TLV5616（16位D/A芯片）能满足要求，其中TLV5616芯片采用REF5020基准电压芯片，作为基准电压，可提供2.048V的稳定电压，使D/A输出相比片内A/D更精准。扩展部分要求电压测量精度为±（0.02%+0.02%FS），分辨率1mV，电流测量精度为±（0.1%+0.1%FS），分辨率1mA，因此选用TI提供16位A/D转换芯片ADS1115，其分辨率为 -1=65534，即测量最小精度为0.125mV，可以满足本设计的需求。
2.3
图5 A/D转换模块 DC/DC升压模块
根据题目要求，被测直流稳压电源输出为10V以内，当电压低于3V时，系统芯片不能正常工作，于是我们可能需要外接电源，所以选用输出电流较大的DC/DC升压芯片TPS61087，可提供7.5V以上电压，为系统外部供电。其电路如下：
图6 D/A转换模块
5
C题：简易直流电子负载
