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直流节能回馈型电子负载的设计与实现
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更新于2023-05-26
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设计实现了一个由MC9S08AW60单片机控制的输出可调的高效直流节能回馈型电子负载。介绍了Boost升压电路与电流型PWM控制器相结合的控制方法、单片机最小系统及上位机显示设定界面。实验结果表明,该设计实现了将3~35 V范围内的电压升压到36~58 V范围内并回馈到直流电源的输入端,且实现了对节能老化实验电源老化电流的精确控制,达到了经济、环保、节能、高效的目的,具有广阔的实用价值。
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直流节能回馈型电子负载的设计与实现直流节能回馈型电子负载的设计与实现
设计实现了一个由MC9S08AW60单片机控制的输出可调的高效直流节能回馈型电子负载。介绍了Boost升压电
路与电流型PWM控制器相结合的控制方法、单片机最小系统及上位机显示设定界面。实验结果表明,该设计实
现了将3~35 V范围内的电压升压到36~58 V范围内并回馈到直流电源的输入端,且实现了对节能老化实验电源
老化电流的精确控制,达到了经济、环保、节能、高效的目的,具有广阔的实用价值。
摘摘 要:要: 设计实现了一个由
关键词:关键词: MC9S08AW60;直流节能回馈型电子负载;
随着科技的发展,各种各样的直流电源被大量使用,而这些电源运行的可靠与否直接关系到系统运行的安全性,因此,这些
电源出厂前必须要进行可靠性测试(主要是老化实验)[1]。传统电源老化测试一般都是采用水泥电阻能耗放电的办法进行,
其缺点是将用于检测的电能完全消耗掉,产生的大量热能不能充分利用,造成大量的能源浪费。为解决这一问题,研制出了直
流节能回馈型电子负载[2]。本设计与一般电子负载的区别在于:一方面,它从被试直流电源吸收的电能85%以上回馈到其被
试直流电源输入端,不需要并网,从而最大限度地节约了成本;另一方面,由于所采用老化柜能实现大规模同时整体老化,对
其被试直流电源进行串并联,可对其不同规格的直流电源同时进行老化,更使其回馈效率增加,从而具有更广阔的应用前景
[3]。
1 系统方案设计系统方案设计
1.1 系统整体设计系统整体设计
直流节能回馈型电子负载主要包括:Boost直流升压主电路[4]、过欠压保护电路、AW60单片机控制最小系统、Boost驱动电
路[5]以及RS-232通信模块。直流节能回馈型电子负载系统图如图1所示。
Boost直流升压主电路通过电感储能才能使电压升高,控制MOS管的占空比来控制电路的输出电压、电流,二极管续流,电
容稳压。此电路结构简单、动态反应快、转换效率高且不需要隔离,是中小功率的理想电路拓扑。但是在设计时要考虑如何抑
制开机瞬间过激电流的缺点。
Boost驱动电路采用电流型PWM控制芯片UC2843,电路中直接控制峰值输出侧的电感电流大小,然后间接控制PWM脉冲
宽度。该控制模式暂态闭环响应较快、控制环易于设计、易于实现限流和过流保护、回路稳定性好、负载响应快且多套系统并
联运行时均流效果好。但是容易发生次谐波震荡。
RS-232通信模块主要实现与PC间的通信,系统可通过PC自动设定启动/停止等其他控制动作,能将数据上传至PC,并通过
PC来分析和判断当前被测电源的特性,并能将老化完成后生成的老化数据以Excel的文件格式存储,供客户查询或下载。
过压、过流保护电路的功能就是当Boost主电路输入电压、电流达到系统设定的最大电压、电流时,系统通过PWM比较器输
出高电平,造成PWM锁存器复位而断开整个回路,从而达到保护整个系统的目的。
1.2 系统工作原理系统工作原理
本系统工作模式为横流拉载0~15 A,电流大小可通过PC进行独立设置。输入电压范围为5~35 V,单通道输入最大功率为
180 W。处理器MC9S08AW60[6]实时采样电流、电压值,经过差模运算后与当前设定值进行比较,从而调节输出的PWM的
占空比,控制MOS管的导通时间,从而实现直流节能型回馈电子负载实时数据与设定值相同。通过控制Boost驱动电路和
Boost直流升压主电路来达到回馈升压的目的。通过RS-232通信模块来实现友好的人机交互界面。目前大多采用高频有源逆变
技术实现老化能量回收利用的电源节能老化技术,但这些产品都是针对特定型号的大功率电源产品而设计的,其功能单一、通
用性比较差,无论在控制要求还是产品性价比等方面,都无法适用于二次直流电源的节能老化试验要求。
2 系统硬件设计系统硬件设计
2.1 主控芯片的选择主控芯片的选择
主控芯片采用了Freescale公司的HCS08系列MC9S08AW60的一款高性能的8 bit微控制器。其中4种系统保护功能,电源电
压为5 V,内含60 KB的片内在线可编程Flash存储器,带有保护和安全选项,2 KB的片内RAM。在芯片上集成了一个串行外
设接口(SPI)模块和两个独立的串行通信接口(SCI)模块,可以方便地与PC及时通信。两个独立的定时器/脉宽调制
(TPM)模块,支持传统的输入捕捉、输出比较或已缓冲,对每个通道的脉冲宽度调制(PWM)。即使在各种恶劣环境
下,HCS08系列亦达到极佳的EMC性能,它提供了不同的引脚数封装选项及温度范围,该器件适用于电源老化的高温环境。
2.2 Boost主电路主电路
Boost直流升压主电路如图2所示,Boost主电路具有开关直流升压的拓扑结构,C176、C177为滤波电容。
(1)充电过程。在充电过程中,Q23导通,双二极管D18防止电容对地放电,由于输入直流电,因此储能电感L8里储存了
一些能量。














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