技术应用・电子负载 基于ＵＣ ３ ８ ４ ３ＰＷＩＶＩ控制的恒流电子负载的设计 邓木生严俊廖无限 （湖南铁道职业技术学院，湖南株洲４１ ２００ １） 摘 要：本文设计了以电流型ＰＷＭ控制芯片ＵＣ５８４６为核心，主电路采用反激式拓扑结构来实现０～５Ａ可调电 流型电子负载。与传统的线性电子负载相比，该电子负载具有体积小、成本低、功耗低、效率高、适用 面广等优点，而且在节能、降耗及环保等方面都具有重要的意义，符合当前的电子负载发展方向。 关键词：恒流；电子负载；ＰＷＭ；ＵＣ５８４３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｎｓｔａｎｔ－Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｌｏａｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＣ３８４３ＷＭ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＤＥＮＧ Ｍｕｓｈｅｎｇ．ＹＡＮ Ｊｕｎ．ＬＩＡＮＧ Ｗｕｘｉａｎ （Ｒａｉｌｗａｙ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ．Ｚｈｕｚｈｏｕ ４ １ ２００ １．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ—ｍｏｄｅ ＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＵＣ３８４３．０－５Ａ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｌｏａｄ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ．ａｄｏｐｔｉｎｇ ｆｌｙ—ｂａｃｋ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｌｉｎｅａｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｌｏａｄ，ｓｕｃｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｌｏａｄ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｈａｓ ｍｅｒｉｔｓ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｓｉｚｅ，ｌｏｗ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ ａｎｄ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ，ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｉｎ ｌｉｎｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｌｏａｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ；Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｌｏａｄ；ＰＷＭ；ＵＣ３８４３ 中图分类号：ＴＮ６０９，ＴＭ４６ 文献标识码：Ｂ 文章编号：０２１９—２７１３（２０１０）１１－００４１—０４ ０引言 恒流（ＣＣ）电子负载是一种通过吸收电源所提 供的电能，以恒定的电流值来模拟或代替真实、 静态负载的设备，即为一种可调的恒流负载。电 对电源要求比较严格的厂家会用电子负载来检测 电源的好坏，用以测试或调节负载大小，以及短 路、过流、动态等运行工况。同时，在一些仪器 仪表的测试中，也用电子负载进行动态负载的测 试 卜 。 子负载解决了传统测试中用电阻、电阻箱、滑线 变阻器等需要人工调节，控制精度低的问题，也 可以模拟真实环境中的负载（用电器）。比如，一般 现代电子负载主要分为线性电子负载和开 关电子负载两大类。线性电子负载虽然有着电流 纹波系数较小的优势，但有着功耗大、效率低 （３０％～４０％）、体积大的缺陷。而开关电子负载具 收稿日期：２０１０－０５—１２ 有功耗低、效率高（９０％左右）、体积小的优势。 ４１ 第１３卷第１ １期 ２０１０年１ １月 鼋浸彳乏 石用 ＰｏＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ Ｖ０１．１３ ＮＯ．１ １ ＮＯＶ ２０１Ｏ 目前，电流控制ＰＷＭ技术通过检测电感电 流，直接反馈去控制功率开关管的占空比。本文 根据电流控制技术的特点，着重介绍用ＰＷＭ电 流调制技术实现恒流型电子负载；基于反馈控制 理论，控ＮＮ沟道大功率ＭＯＳＦＥＴ的导通时间， 实现对被测电流的控制，其控制精度高，电路简 单，成本低廉 。 １恒流型电子负载结构框图介绍 本文设计的１００ＶＡ电子负载工作原理框图如 图ｌ所示。这种电子负载是基于专用ＰＷＭ控制芯 片Ｕ Ｃ３８４３的开关负载，主要采用反激式拓朴结构 来实现可调的电流变换，进而满足电流为０～５Ａ可 图１ 电子负载的原理框图 调节的恒流要求。 回路的电流，则： Ｄ４＋Ｌｌｄｉ２／ｄｔ＋Ｒ１３ ＝Ｕ ３ ＵＮ３＝ＬＮ３ｄｉ２／ｄｔ （３） （４） ２电流变换电路设计 电子负载的电流变换电路主要由ＰＷＭ控制器 Ｌ 一二次侧电感量 然后电流ｉ：线性下降去磁，因此在一个周期 中，变压器不会磁饱和。根据磁路平衡，一次充 ＵＣ３８４３及外围器件、辅助电源及电压保护电路、 高频隔离变压器、功率开关管、电流检测电路和 一磁电流平均值ＩＬ与去磁电流平均值』，的关系如下： ／Ｌ＝Ｉ２ （５） 个可调的电位器构成。其电路图如图２所示。 图２中Ｎ。线圈电感为Ｌ、采样电阻Ｒ 、开关管 ＶＴ组成了放电回路。设ＶＴ 导通，忽略其他回路 调节Ｒ 电位器，即可调节ＵＣ３８４３的输出占空 比，得到稳定的输出电压，当Ｒ ，固定时， 的值 不变，厶的值不变，可对进行被测电压源进行恒流 放电。 的微小电流，则： ＬｄｉＩ ／ｄｔ＋Ｒ１１ｉＩ ＝Ｕ （１） ｉ＝ｉ 式中： （２） 对图２所示的电流变换电路说明如下： （１） 为被测电源，该电压分为两路：一路 ｆ 一Ｎ。线圈电流 ｆ一电子负载放电电 流 电感中的电流线性 增大，当ｉ 增大到使Ｒ ｉＬ 略大于电流取样比较器 的门限时。Ｕ Ｃ ３ ８４３输 出端６输出低电平，此时 ＶＴ，断开，电路中的电流 毛为零，变压器充磁。而 变压器Ｎ 二次侧二极管 导通，对变压器进行去 磁，电流为ｉ ，忽略其他 图２ 电流变换电路 ４２ 经Ｒ 降压以后为Ｕｌ（ＶＣ３８４３）的第７脚提供直流启 动电压，另一路经高频变压器的初级绕组Ｎ 为功 率开关管的漏极提供工作电压。Ｎ 是电压反馈线 圈，其感应电压经ＶＤ：整流以及Ｃ 、Ｃ 、滤波后供 给Ｕ１工作运行电压。Ｎ，的另一个作用是监视、检 测电路在运行中是否出现不良，并将有关信息送 到Ｕ１中进行处理； （２）Ｃ 、尺 是改善误差放大器的增益和频率 特性，Ｃ 为消噪电容，Ｃ，、尺 。决定该电路工作频 率，其工作频率与尺 。、Ｃ 有关，取尺 。为８ｋＱ， ＵＣ３８４３输出占空比可达９５％，Ｃ 为５ｎＦ，工作频 率为５０ｋＨｚ； （３）尺 是检测电阻，尺 、Ｃ 构成滤波电路， 他们一起构成电流检测电路并检测电路的工作状 况，如过流、短路等； （４）Ｒ 为是斜波补偿电阻，尺 为栅极限流电 阻； （５）Ｒ 、Ｃ 、ＶＤ 组成的缓冲电路用于高 频变压器漏感造成的尖峰电压，尺 取５．６ｋＱ， Ｃ ７为０．０１ｇＦ，ＶＤ 超快速二极管ＵＦ４００７；Ｃ ８、 、ＶＤ 组成的ＤＣＲ缓冲网络，可以防止功率 ＭＯＳＦＥＴ管关断过程中承受过大反压，Ｃ 取 ｌｎＦ，Ｒ 取２．７ｋＱ，ＶＤ 超快速二极管ＵＦ４００７； （６）在输出低电压、大电流的情况下采用 ＶＤ （肖基特整流二极管）进行整流；Ｒ。、Ｃ。一起 构成Ｄ４的吸收缓冲电路。Ｃ 。、Ｃ Ｃ 是滤波电 容，与 ，构成高频滤波电路，Ｒ，。是功率电阻，取 ３Ｑ／１５０Ｗ： （７）Ｖ １控制芯片为Ｕ Ｃ３８４３ＰＷＭ核心控制芯 片，通过可调电阻ＪＲ 进行恒压设定，当输入电压 变化时，控制芯片输出驱动电压占空比随输入电 压升高而降低，使变压器二次侧电压不变、电流 不变，一次电流不变，电压源放电电流不变（忽略 其他微小电流），反之亦然； （８）功率ＭＯＳＦＥＴ开关管采用ＩＲ８４０，可流过 ８Ａ的电流、耐压为５００Ｖ，变压器一次侧电感取 １ｍＨ ３ ＰＷＭ控制电路介绍 １）一次侧的电流反馈检测电路 技术应用・电子负载 一次侧的电流检测电路由检测电阻Ｒ 和尺 、 Ｃ （主要作用是滤波）构成，由于在Ｕ Ｃ３８４３ＰＷＭ 控制器内的电流比较器输人端设置了１Ｖ的电流钳 位，当电流过大而使电流检测电阻的分压大于１Ｖ 时，电流采样比较器输出高电平使ＰＷＭ锁存器置 ｏＮ使输出封锁。若故障消失，下一个时钟脉冲到 将使ＰＷＭ锁存器自动复位。所以应该以１Ｖ的为 ＰＷＭ控制器的第３引脚基准电压。由本设计的放 电电流为可调０～５Ａ，这时尺 的值可由如下的式 子确定： 尺ｌｌ＝ＩＶ／５Ａ＝０．２Ｄ （６） 该检测电路同时也起到保护电路的作用，当 电流过大时，Ｒ 上的电压大于ｌＶ，电流采样比较 器输出高电平使ＰＷＭ锁存器置０而使ＰＷＭ输出封 锁。 ２）ＰＷＭ占空比调节 电压反馈绕组电压经ＶＤ 、Ｃ 、Ｃ 整流滤波 后，被电阻Ｒ 、尺 分压送入误差放大器反相，并 与误差放大器同相端的２．５Ｖ（内部５Ｖ基准电压源分 压后形成的）准电压进行比较，产生误差电压，从 而控制ＰＷＭ脉冲占空比，以此来稳定电流；当电 位器Ｒ 的阻值变小时，放电电流值变大，反之， 阻值变大时，电流值变小。 ４实验测试及分析 下面对某个电压源输出电压时的相关电流波 形进行测试，以验证其正确性和合理性。 １）ＰＷＭ．￣动信号及检测电阻上的电流波形测 试 当电压源输出电压为直流电压７０Ｖ和１４０Ｖ 时，ＰＷＭ￣ｇ动信号及检测电阻上的电流波形测试 结果分别如图３和图４所示。以直流电源地为参考 点，图中同时测得ＵＣ３８４３输出的ＰＷＭ驱动信号 （￣ＭＯＳＦＥＴ栅极驱动信号）和检测电阻上的电流 信号，其中ＣＨ１为ＰＷＭ驱动信号的波形；ＣＨ２为 检测电瞰， 上的电压波形。 从图３Ｎ图４可以看出，输入电压为７０Ｖ时， ＭＯＳＦＥＴ工作的占空比为３５％，输入电压为１４０Ｖ 时占空比为２５％。当负载一定时，ＭＯＳＦＥＴ－￣ｇ动 信号随着输入电压的升高，其占空比相应减少， ４３ 第１３卷第１ １期 ２０１０年１ １月 鼋涤技 左用 ＰＯＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩｏＮＳ Ｖ０１．１ ３ ＮＯ．１ １ ＮＯＶ ２０１０ 式中： ，＿电子负载放电电流； 变压器一次电感平均电流； Ｉｉ－ＭＯＳＦＥＴ导通时起始电流； ，厂ＭＯＳＦＥＴ导通时峰值电流； 了 工作周期； Ｔｏ －－ＭＯＳＦＥＴ导通时间。 将图３的检测电阻上的电压值除以检测电阻值 图５ ＰＷＭ驱动信号和检测电阻上的电压波形 图４ ＰＷＭ驱动信号及检测电阻上电压波形 即形成了电流负反馈的闭环控制。 在上述测试波形中，ＣＨ１为ＰＷＭ驱动信号 的波形，其频率约为５０ｋＨｚ，信号比较规整，接 近理想状态；ＣＨ２为检测电阻上的电流波形，占 空比比驱动信号的占空比大，主要是变压器电感 和开关器件关断延时造成的，不影响电流。如果 没有ＭＯＳＦＥＴ的开通、关断引起的开通和关断尖 峰信号，也与理论波形相近。开通和关断尖峰信 号是ＭＯＳＦＥＴ的开关特性所致，同时也是造成 ＭＯＳＦＥＴ发热的主要原因之一。 ２）电子负载放电电流的计算 放电电流的平均值可根据以下公式计算： １（ ＋ ）‘ＴｏＩ＝Ｉｃ ｗ （７） 一． ！： ．．．．．．．．．。．．．．．．．．．—－－－－－—－－．． ．．一 （０．２Ｑ）可得到相应的起始电流值和峰值电流值， 代人公式（７）可得： Ｉ＝０．５×（０．１５／０．２＋０．３１／０．２）Ｘ ５．５／１０ ＝０．６３２５（Ａ） 将图４的实测值按以上方法计算可得： Ｉ＝０．５×（０．１５／０．２＋０．４１／０．２）×４．５／１０ ＝０．６３００（Ａ１ 从中可以看出，该电子负载在电压源电压变 化时，占空比发生变化，而直流平均电流不变。 ５结束语 从上述测试结果可以看出，本文设计的电子 负载通过自动调节ＰＷＭ的占空比，来实现了恒电 流的电子负载特性。 参考文献 ｆ】］ 周凯锋．３０Ａ高精度交直流恒流源的研制［Ｄ】．昆明：昆 明理工大学，２００２：１ ２２－－３４ 【２］ 侯振义．直流开关电源技术及应用［Ｍ】．北京：电子工业 出社，２００６．４：５４２－－５５６ 【 】 李序葆．电力电子器件及其应用【Ｍ】．北京：机械工 业出版社．２００４：２３４－－２４５ 【４］ 周志敏，周纪海．开关电源实用技术——设计与应用 ［Ｍ Ｊ．北京：人民邮电出版社，２００３：５５６—５７６ ［５］ＵＣ５８４３Ｂ ＨＩＧＨ ＰＥｇＦＯｇＭＡＮＣＥ ＣＵＲＲＥＮＴ ＭＯＤＥ ＰＷＭ ＣＯＮＴｇ０ＬＬＥＲ 作者简介 邓木生（１ ９６７一），男，湖南铁道职业技术学院电气工 程系主任，副教授，研究方向：高等职业教育，应用电子 技术。
