动手DIY一个简易恒流电子负载

写在前面

        最近做了一个程控电子负载，想着要把制作中的遇到事情、自己的思考记录下来与人分享，共同进步。

            若有错误，欢迎指正。

一、什么是恒流电子负载？恒流电子负载有什么用？

        恒流电子负载，是一种负载（消耗能量）并且这个负载所流入的电流依据所设定的值保持恒定，与接在负载两端的电压的大小无关，同时所设定的电流值又可以在一定范围内调节。比如说，有一个电源输出的电压是10伏特，与它相连的恒流电子负载的设定电流是1安培，那么此时这个电子负载等效为一个10欧姆的电阻，当把电源输出电压调整至20伏特时，电子负载为了使流过负载的电流恒为1安培，这个电子负载就需要通过自身的调整，等效为一个20欧姆的电阻。

        恒流电子负载是用来测试电压源的，比如说测试电池的容量，我们所说的电池容量1000mAh，就是指在额定电压下可以以1000mA的电流，持续放电1个小时。当然也可以测试一些开关电源的性能。

二、简易恒流电子负载基本原理

        如果我们可以得到一种器件，它的阻值是可以通过电压控制的，那么我们就可以通过一一个负反馈得到一个简单的恒流电子负载。

        事实上，这种器件是存在的，我们可以使用一个N沟道的MOSFET（N-MOS）实现这项功能，当N-MOS工作在线性区时，可以认为是一个大功率的由电压控制的变阻器。

        通过控制G极的电压，使N-MOS不完全导通，借此控制其内阻，这样我们就得到了一个大功率的可变电阻器。

        但是，问题来了，N-MOS的内阻与G极电压不是线性的，那我要如何控制这个N-MOS，使它的内阻就是我想要的值呢？这里我们就需要引入负反馈，通过运放自行调节G极电压。负反馈电路如图：

我们可以这样理解这个电路，首先OP07作为一个运放，它会调整它的输出也就是6号引脚，使IN+与IN-也就是3号和2号引脚的电压相等，也就是运放分析中常提到虚短，其中IN+为设定值，IN-为反馈值，那我们知道，这个运放，会通过调整输出，尽可能的使反馈值与设定值一致。反馈值是什么，1Ω电阻上的电压是反馈值，这个电压又与什么有关呢，U=IR，R是1Ω，这个公式就变成了U=I×1，电阻上的电压等于电阻上流过的电流，同时由于运放内阻非常大，可以认为没有电流会从运放上流过，所以运放的反馈值是当前Q1R1上流过的电流，设定值又是什么呢，通过R2与R3的分压，得到的电压值就作为设定值。

        前面也说了，反馈值是电流值，它会在运放的作用下与设定的电压值一致，即设定值调多少伏电压，R1上就流过多少安的电流。由此，我们可以通过控制电压来控制电流了。

        按照这个理论做一个简单的电路：

        我们可以通过观测电阻两端的电压来测量流过LED灯珠的电流，核心理论就是这样。接下来讲的就是如何提高过电流的能力了。

三、我想要通过更大的电流

        我们知道点亮一个LED灯只要十几个毫安就可以了，这十几个毫安肯定是不能满足我们的野心的，我们的野心是多少安培呢？当然要求也不要太高，就定4个安培吧，那多少耐压呢？为了安全就定20伏吧。当20伏4安满功率运行的时候也有80瓦了呢！测一些电池啊，电瓶什么的应该也绰绰有余了。

        我们先来计算一下，如果采样电阻使用1Ω的，因为这个阻值，电流与电压相等，挺好的，电压是20V，电流是4A，总功率80W。

        首先计算电阻上的功率 P = I^2 · R = 4^2 * 1 = 16W，这里我们使用10支10Ω，2W，1%精度的电阻并联，并联后等效电阻为1Ω，功率为20W，精度也会比1%高，这样就可以满足要求了。

        剩下的功率会全部在MOS上，也就是80 - 16 = 64W,关键是这64W全部是发热的功率，在这样的条件下，会把MOS加热到足以融化焊锡，要知道我们平常常用的恒温烙铁也就不过60W。贴片的MOS是不能选择了，只能是直插MOS加大散热片了就像这样：

如果你觉得温度还是太高就加个风扇，不过我是冬天做的，这几天杭州的冬天室外10度，室内10度，这样的散热规格倒也是够了。

四、运算放大器的选择

        运放的选择就比较随意了，只要供电电压可以到±18V以上的通用运放都可以，什么增益带宽积，什么压摆率都不总要，当然能选低噪声，还是要选低噪声的，所以我选了OP07CD，德州仪器的，1.3元一个，还是比较便宜的，关键还是一个精密运放挺好的。考虑到最大电流时G极对地电压最少需要到14V，10V使MOS完全导通加4V电阻上的电压。同时考虑到这个运放不是轨对轨的运放，最大输出电压需要从最大电压轨上减2V。所以高电源轨至少要16V，加上需要留出一定的余量，运放的正电压设到24V。

        同时为了使运放可以输出零电压，所以需要负电源。同样因为不是轨对轨运放，加2V电压，所以最少要-2V，加上一些余量什么的就定-5V。

        以上加余量是要的，但是不需要加的像我一样多，我选择24V，以及-5V自是因为这两个电压我比较好得到。这里先说一下，之后会详细说明，我计划的是12V供电，一路通过Boost升压到24V，一路通过Buck降压到5V，再通过电荷泵得到-5V电压，5V电压亦可通过线性稳压得到3.3V给后面的控制部分供电。

五、目标电压给定

        如何给定目标电压，最简单的方法是使用一个电位器来调整电压，但是这样做并不适合，因为我想要用更方便的手段来控制电压，同时也可以实现更多功能，所以我势必要使用一块单片机了，那么问题就是使用片内DAC还是独立的DAC，不过说实话，独立的12位的独立DAC都不便宜，一片STM32F103VCT6也就20块，还带两个DAC，它不香嘛。

        那么我们有2个DAC，由于MCU的供电使3.3V的所有DAC的最大输出也是3.3V的，这似乎达不到我们想要的电压值，好在我们有2个DAC，一片不行，那就使用两片做一个加法不就可以了，电路如下：

        DA1经过电压跟随器进入加法器，DA2放大两倍进入加法器，在这样的电阻配置下加法器上无倍率变化。关于为什么DA2要放大两倍，其实是考虑到DAC的输出在1/2参考电压电压时是比较稳定的，所以打算输出1.5V放大两倍到3V进入加法器。

        R48和R49是一个程序闭环还是硬件闭环的选择，选择R48时，MOS的G极电压由我们自己控制，这时候需要在程序中增加闭环，来达到控制的目的。当然程序闭环的好处是安全，我可以随时关断MOS，但是控制速度绝对比不上硬件闭环。

        当然我也可以通过其他方法关断MOS，使用程序闭环也就没有那么必要了。

        同时在这个电路中也对输入电压，负载电流进行了测量，万一有一些异常可以检测到，通过关断MOS来保护电路。这里就要说一句了，软件的保护其实是很慢的，你可能整个电路以及毁了它才刚刚检测到。这里的保护是因为我的硬件选择的耐受比较高，而我设置的限额比较低，超额保护吧，就好像流量超了直接断网一样的感觉。

六、电源部分

        之前提到我在这块板上使用了-5V、3.3V、5V、12V、24V这几个电压等级，而我只用了一个12V的电源输入口（主要是我恰好有一个12V的电源适配器）。在这里设计了一Boost升压电路到24V，一Buck降压电路到5V，一线性稳压到3.3V，一电荷泵从5V变换到-5V。

        在这里小功率的电压变换可以直接使用集成芯片来做，方便，不需要考虑太多。不过开关稳压的噪声还是比较大的，还是要做一定滤波，考虑的滤波器的损耗，使用LC派型滤波是比较好的，设置的截止频率就要看开关稳压芯片的开关频率了，不过说起来还是能设多低设多低，对于直流电压噪声越少越好嘛。电路如下：

        MP1470构成Buck，MT3608构成Boost，ME7660做电荷泵。

        这里增加的继电器是为了在有危险时保护电路用的，比如输入电压超限了，直接切断24V电压，MOS就可以直接关断，就可以保护电路了。同时也可以防止负载开路，突然接上电源时，MOS完全导通，峰值电流对电子负载的冲击。负载开路时，若给运放供电会使运放输出无限逼近输出的上限，OP07如果24V供电的话也就是22V左右。原因就是MOS的控制是个负反馈，但是负误差一直存在。

七、控制部分

        说真的，单片机的外围电路其实是比较简单的，做好电源引脚的滤波，特别是几个模拟引脚的滤波。

        对于晶振，如果是有源晶振，那就没什么好说了，直接接到单片机上就好了，但如果是是无源晶振，就要考虑晶振的负载电容了，如果电容不匹配可能会导致晶振不起振。

        其他也没什么了，你就可以自由发挥了。

        至于程序，那就更加自由发挥了，随便写。

八、实际表现

        误差还是有一点的，如果要求不高，这样也就差不多了。

        就这样吧，感谢您的阅读。