lm35与单片机自制一个大功率的电子负载|产品概述|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

自制一个大功率的电子负载

自己做一个电子负载这个想法已经有很久了，之前做的电子负载存在很多问题，而且只有恒流模式，保护也只有反接保护，不怎么实用，所以下定决心自制一个实用的电子负载出来。

先说说这次准备自制的

负载的主要参数 吧

最高输入电压：150V 最大测试电流：40A 最大耗散功率：600W，支持四个负载模式和电池测试模式，支持数控，显示用TFT液晶屏来做。至于电压和电流的分辨率的问题只有做出实物后再来看效果如何了，自己用不需要做到0.1mA 0.1V这种程度。

保护功能就基本的保护，过压，过流，反接，过温，过功率和空载保护。这些保护都准备由硬件电路来完成，这样保护速度才快。

单片机现在先用STC的STC8A系列，要是效果好的话就用32来做控制系统，增加一些功能。

原理图还在优化中，很多细节地方真的让人头疼......

器件和工具都准备的差不多了，来两张图，哈哈哈，桌子有点凌乱

哈哈哈，最贵的可能就是那个示波器了，买它主要是看中了他的四通道，另外那四个电阻电容本还是小贵。最气的是散热片没有买合适，到手后才发现太小了，估计两个合起来最大散热300W吧，散热齿也很密集，把风扇的风挡了好多。

原理图再检查检查，没问题就可以自制PCB了，这是个大工程，估计一直做也要做个两三天吧，分成两块板子，功率版和单片机控制板，单片机板子的东西很少，就一个单片机，按键，显示器可能会加一个485通信芯片和存储芯片，AD DA都放到功率板上去了。

这第一版PCB画的我脑壳疼，很多时候走线长度，走线方式要和布局相互妥协，交叉线也多......中间散热片占了老大的面积，其他的小芯片只能在一旁瑟瑟发抖，板子尺寸都有340*180了。

相比较于上一版，第二版把功率降了一点，之前是十个管子600W，现在这个板子只有6个功率管，最大300W的功率耗散，不过散热片感觉散热能力不太行，还没带过300W的功率，110W的时候MOS的晶圆温度就有六十多度了。

先来两个版本的PDF，之前的版本把四个模式都做了，后来调试的时候发现用的均流方式有问题，环路和运放部分也有问题，就放弃了，重新画了一板，现在这个版本能够稳定工作，小毛病还是有，所以，第三版已经在日程上了。（

关于PDF两个版本，这里不方便分享，有需要的朋友可以私聊我，我发给大家。 ）

说说这个负载的设计思路吧，思路呢也很简单，恒流模式是所有模式的基础，所以如何设计好均流电路是一个关键，我的第一版均流思路也不复杂，总共有十路负载，以其中一路作为基准，把他的电流采样输出作为后面的九路负载的基准输入，这样就能实现均流了，但是实际调试的时候发现这个电路不太稳定，而且因为运放单电源供电，在基准为0的时候实际负载电流不为0，就放弃这个版本了。

均流完了就是各种保护电路和检测电路了，输入总电流检测这儿用了一个反相放大器，反接用的MOS和比较器，都是常规电路，温度保护第一版用的LM35D和NE555做的，觉得太麻烦了第二版就只用了LM35D，用单片机检测温度来保护。

接着就是负载的反馈环路了，电子负载的环路我觉得不需要太快，主要是要够稳定，所以环路哪儿就放了一个474的电容。

功率保护对于电子负载来说是很重要的一个保护功能，第一版的功率保护用的是集成三极管和运放做的一个模拟乘法器，但是做出来效果不怎么好，线性度可以，就是输入输出有个倍率关系，比如两个2V输入应该输出4V才对，结果输出电压是五点几 V，郁闷，第二版用的乘法器芯片，花五十大洋买回来的两片芯片是假的，郁闷死了。

目前遇到了几个问题

第一个问题就是电源部分，我的电源是用一个双15V变压器整流后直接稳压得到12V ，-5V ，-12V的控制供电，风机供电是从正电压取电经过TPS5430降压后得到12V的风机电源，现在的问题就出在12V供电和风机供电上面，不知道是不是我的滤波电容太小了还是怎么回事，12V稳压出来的纹波电压特别大，都快1V了，这个纹波电压造成的影响就是用431稳压出来的基准电压的文波也很大，连贯的影响就是MOS 的驱动端可以看到一个很明显100HZ振荡，顺带的负载电流也有100HZ的振荡。

至于风机供电，原本的设想是风机在工作的时候又可能会干扰负载，所以在风机供电的供电输入输出端和地线都加了磁珠进行隔离，但是万万没想到的是，在负载板的风机接口哪儿忘了加磁珠了，所以风机工作的时候还是把负载干扰了，最明显的就是风机启动后负载电流会减小个几十mA,MOS的驱动波形上会有很多毛刺。

第二个问题就是MOS的驱动电路没有设计好，画图的时候为了增加对MOS的驱动，就增加了一个三极管推挽电路来增强驱动，结果这个推挽电路却是个败笔，因为驱动力变强了，导致NOS的驱动波形上会有振荡出现，把三极管去掉后波形就很干净，最后解决的办法就在每路电流放大的反馈电阻哪儿并联了一个470nF的电容，并联后驱动波形就干净了很多。这个振荡在平时使用的时候可能影响不会太大，倒是要是遇到被测电源质量奇差或纹波噪声很大的话负载可能会挂壁。

第三个就是温度保护和功率保护部分，温度保护部分为了省事儿就把温度保护放在了单片机里面，去掉了硬件的温度保护，所以现在工作的时候散热风扇不管负载功率大小，一直是全开的，略微感觉不爽，哈哈哈。

功率保护这儿，一直想用硬件的乘法器来做，但是用运放做的没成功，用芯片的话贵不说还容易买到假芯片，头疼。。。。。

不知道是不是因为我用的MOS里面的晶圆太小了，单颗MOS负载20W左右的功率我测MOS的D脚温度都有60度以上了。emmmmm....

最后就是关于反接保护和空载保护的问题，我用的MOS来做的防反接，所以这个MOS选择有点蛋疼，它的耐压和负载的耐压是一致的，但是它又要承受整个负载的电流输入，所以选择的时候就需要选高耐压和高耐流的管子，最开始想用IRFP4668来做，不过这管内阻还是不够小，40A电流的时候他的功耗可以达到13W左右，这就需要一个大散热片了。

空载保护用的393来做的，因为最低输入电压在1~2V左右，所以从电压采样电阻分压出来的电压很小，所以加载393 的2 5脚电压也会很小，2脚电压小倒是没多大影响，蛋疼是5脚的电压，当初设计时候为了省事儿就和2脚共用了一个电压，万万没想到的是393的低压输出比我的5脚电压高，这就导致了我的负载电源不管接还是不接我的负载都是处于工作状态，于是空载保护就失效了，最后还是使劲儿加大上拉电阻来解决的，后面版本这个地方需要改一下。

左边的是之前做的，比现在的看着大了好多，后面的电池就是拿来测试的，50AH的锂电池。后续的计划就是把现在遇到的问题一并解决，同时把单片机加入进去，让电子负载支持四种负载模式。

单片机暂时用STC8单片机，显示屏本来准备用2.4寸的TFT显示屏的，但是51单片机跑不动，所以还是改成LCD2004，单片机和显示屏都有啦，就差板子咯。顺便把旋转编码器加上去，操作起来方便点.......

原文链接：https://www.dianyuan.com/bbs/2477707.html

12V300W单极性隔离纯正弦波逆变器设计报告

一、机器基本参数

标称功率：300W ；持续功率：250W ；峰值功率：600W ；

输出电压：输出为单相220VAC（有效值），频率为50±1Hz。

整机效率：87% 以上；300次开机短路，200次短路开机；

过载保护 500W ；短路立即保护；欠压告警10.3V 延时1.5S；

欠压保护10V 立即关断；过压保护15V 立即关断；过热保护：65℃

二、此款逆变器的基本情况（架构，组成）

总体来说，这是一款12V单极性隔离纯正弦波逆变器，这款逆变器由三大部分组成：前级驱动板；后级驱动板；功率板。

1、前级驱动板主要是由三个部分组成，供电电源部分，PWM 驱动部分，和过欠压保护部分；

2 、后级驱动板主要由三个部分组成：SPWM 信号的产生（单片机EG8010）部分，IR2110的驱动部分，和过流保护保护部分。（详解请见EG8010 SPWM芯片数据手册）

3 、功率板主要组成部分：功率板主要包括了前级反接保护，DC-DC推挽升压，整流滤波和H桥逆变部分；还包括了过流保护电路，准闭环反馈部分和欠压告警电路等小部分。

三、电路结构及原理分析

1、前级驱动板

A 、供电电源部分

　在前级驱动电路中，BT输入电压范围为10～15V，而SG3525工作电压范围宽为 8～35V，LM358单电源电压范围宽为3～30V，所以BT电压足以驱动两块芯片，所以前级供电电源部分可以直接使用BT供电。

B 、PWM 驱动部分

如上图所示，电路由SG3525产生PWM信号，当这部分电路接入12V 的电源后，SG3525得电，进而由内部振荡器和外部振荡电容C4、电阻R5及死区时间设置电阻R8构成的振荡电路产生钜齿波，为整个IC提供时钟源，让IC进行工作状态，因为接入了开机软启动电容C6。开机后输出的矩形脉冲是先从最小占空比变化到50% 的状态的，主要是保护此信号所推动的MOS 不是一开机步工作在较大的占空比状态，减轻了开机瞬间 MOS 的冲击压力。

SG3525芯片，其PWM信号由11脚和14脚且两脚输出，输出波形相位相差180度，互为反相。注意上图中在PWM1和PWM2两路信号中有两个10K 的电阻（R10和R11）将PWM 信号拉到地，这有什么用呢，其实这个下拉非常有必要，是给SG3525 的PWM 信号加一个假负载，使信号稳定不浮跃。在关机时不会因为一些静电而产生高电平，使功率板上的MOS 栅极同时产生高电平，在大容量电池供电情况下导通而炸管。SG3525管脚图如下（更多详解请见SG3525资料）

1.Inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端

2.Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端

3.Sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。

4.OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。

5.CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。

6.RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。

7.Discharge(引脚7)：振荡器放电端。

8.Soft-Start(引脚8)：软启动电容接入端。

9.Compensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端

10.Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。

11.Output A（引脚11）：输出端A。

12.Ground(引脚12)：信号地。

13.Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。

14.Output B（引脚14）：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。

15.Vcc（引脚15）：偏置电源接入端。

16.Vref(引脚16)：基准电源输出端

在此电路中SG3525的电压反馈采用了准闭环调制。其原理是，由SG3525的16脚产生的+5V经R9和R4分压提供，给SG3525 的2脚引入一个固定基准电压，1脚接前级升压后的高压分量HV，当输出高压的分量HV大于2脚上的固定值时，SG3525内部误差放大器将会将大于2脚的电压的变量作为误差，对其进行放大，误差放大的量来对PWM 的占空比进行调制，使逆变器在开机空载时有一个很小的静电流。做好这一功能的原则是，在空载时能使PWM 的占空比达到最小，在带载的时候要马上将占空比拉到最大，使用电路工作在最高效率状态。C、过欠压保护部分

如上图所示，保护部分的电路由LM358完成，这个保护电路是一个简单的窗口比较电路，只包括了过压保护和欠压保护。工作原理分析如下：因为BT输入电压范围为10～15V，当BT低于10V时为欠压，BT高压15V时为过压，所以设置USW=10V欠压时，U1为欠压保护基准点，当USW=15V过压时，U2为过压保护基准点。如上图由+5V供电，R7,R14，R22设置比较器的基准电压U1、U2。

　　欠压保护：当SW端电压USW≦10V时，LM358的6脚电压Usw1就会低于5脚电压U1，7脚输出高电平，即SD控制脚为高电平，所以SG3525的10脚控制脚SD为高电平，以致关断PWM信号输出。

　　过压保护：当SW端电压USW≧15V时，LM358的3脚电压Usw2就会高于2脚电压U1，7脚输出高电平，即SD控制脚为高电平，所以SG3525的10脚控制脚SD为高电平，以致关断PWM信号输出。

　　注意：如上图，R20和R21很重要，都为1M电阻。在电路中起到正反馈的作用，使LM358构成滞回电路。有效的减少开关振玲；调节电位器R22可以改变滞回电路的阈值及回差大小。

2、后级驱动板

【认真阅读EG8010 SPWM芯片数据手册中的引脚描述，根据所需功能选择引脚的功能参数。】

1）电源供电部分：

由+5V给EG8010供电，需要+5V稳定的电源为后极板供电；由+15V给IR2110S芯片供电。该电源部分主要由变压器的辅助电源经全波整流、滤波和稳压之后产生,如下图所示（该部分在功率板上）：

2）SPWM部分

　　A 、SPWM的产生

主要由单片机芯片EG8010产生。（详解请见EG8010 SPWM芯片数据手册）

　 B、保护部分

1）过流保护检测：

电路参照《EG8010 SPWM芯片数据手册》6.2 EG8010+IR2110S+闭锁纯正弦波逆变器典型应用电路图（单极性调制方式）

　　用RS电流采样法，即在后级功率H桥的下管S极到功率地串接采样电阻，当出现过载或短路时，会有较大电流流过采样电阻，进而产生压降，运用专业比较器采集此压降和一个固定阈值进么比较，大于此值时输出高电平，而后引这个高电平来做保护关断信号，在过载的时候关断前级PWM 和后级SPWM 驱动信号，保护前后级MOS管不因过大电流而损坏。

　　将采集到的信号，经滤波之后分两路走，一路经R38和C24组成的延时网络进行短暂的延时之后，再控制单片机EG8010的14脚IFB，判断是否关断SPWM信号；一路引入比较器LM393的3脚与2脚的基准电压比较之后，再由比较器的1脚产生的信号来控制两块IR2110S的13脚SD端。

　　因为在带感性或容性负载时，刚接入负载时冲击很大同，此时的功率可能会超过逆变器所设计的过载功率，但又不能一过载就关断，所以在接入比较器前将信号进行RC (R7、C21)延时，如果在延时时间后仍然过载就关断了，如果没有没有过载就继续工作，这样就有利于逆变器稳定有效的带动冲击性大的负载。在上图中.短路保护和过载保护的方式类似,短路保护就是严重过载,只是在过载时延RC 常数要设置在短路后后级H 桥不烧MOS 的范围内就可。

　　2）输出电压反馈调整：由于本电路为单极性逆变电路，所以在单极性调制模式下，EG8010芯片的电压反馈是通过13脚VFB测量逆变器的交流输出。

如下图所示：对高频臂进行信号采集，采集后接EG8010的13脚VFB端口，对输出电压值作出相应调整。

　　3）温度检测反馈：EG8010芯片15脚TFB用来检测逆变器工作温度，主要用于过温检测和工作温度液晶显示作用。选用25℃对应阻值510Ω的热敏电阻；如果不使用温度保护功能，该引脚需要被接地。

4）风扇控制：

EG8010芯片的7脚FANCTR为风扇控制端，该电源部分主要由辅助电源经半波整流、滤波提供，,如下图所示（该部分在功率板上）：当芯片15脚TFB引脚检测到温度高于45℃时，芯片7脚FANCTR端输出高电平，三极管S8050集电极和发射机导通（三极管为开关作用），风扇运行，运行温度低于40℃时，芯片7脚输出低电平，风扇停止工作。

5）死区时间设置：EG8010芯片的1脚DT1和2脚DT0是控制死区时间，死区时间控制是功率MOS管的重要参数之一，如果没有死区或死区时间太小会导致H桥上下管同时导通而烧毁MOS管的现象，如果太大会导致波形失真及功率管发热严重的现象。详见EG8010 SPWM芯片数据手册引脚描述，根据需要选择死区时间。

C、IR2110S的驱动部分：

IR2110S驱动电路是典型的应用电路。其工作原理就不多讲了，大家可以自己下载电路图后分析。（更多即可网上搜索IR2110资料）

管脚图及引脚名称：

LO （引脚1） :低端输出

COM（引脚2） :公共端

Vcc（引脚3） :低端固定电源电压

Nc （引脚4） :空端

Vs （引脚5） :高端浮置电源偏移电压

VB (引脚6) :高端浮置电源电压

HO （引脚7） :高端输出

Nc （引脚8） :空端

VDD（引脚9） :逻辑电源电压

HIN（引脚10）:逻辑高端输入

SD（引脚11） :关断

LIN（引脚12）:逻辑低端输入

Vss（引脚13）:逻辑电路地电位端，其值可以为0V

Nc（引脚14） :空端

3、功率板部分

A、前级反接保护,如下图所示：

上图中场效应管为IR1404（TO-220封装）N沟道MOS管，MOS管通过S管脚和D管脚串接于电源和负载之间，电阻R44=10Ω和R13=10K为MOS管提供偏置电压，利用MOS管的开关特性控制电路的导通和断开，从而防止电源反接给负载带来损坏。正接时候，R44提供栅极电压Vgs，MOS饱和导通。反接时Vgs不能达到MOS的开启电压，MOS不能导通，所以起到防反接作用。

B、供电电源部分

因为本电路是隔离电路，所以前后两级都应用不同的电源供电。所以前级用78L05（TO-92）供电，后极用7815(TO-220)和7805(TO-220)供电（见前面后极驱动电源供电部分）。如下电路图所示：

C、DC-DC推挽升压，整流滤波和H桥逆变部分：

该机的BT电压为12V，满功率时，前级工作电流可以达到25A以上，DC-DC升压部分用了一对IR1404（TO-220）封装的功率管。主变压器用了EI406（立式）的磁芯。前级推挽部分的供电采用对称平衡方式。高压整流快速二极管，用的是HER308。电感式27MM、2.2mH的磁环，高压滤波电容是100uF/450V的大电容，此电容在允许的情况下，尽可能用的容量大一些，对改善高压部分的负载特性和减少干扰都有好处。 H桥逆变部分用的是4个FDP18N50，耐压500V，最大电流18A，前后级MOS管都非常充足，H桥部分的电路采用的是常规电路。　

D、准闭环反馈部分，如下图：

　　前级电压反馈采用了光耦PE817控制TL431做隔离准闭环反馈电路。通过电阻R43和R4对400V高压进行采样后，与TL431内部基准电压1.25V进行比较，达到控制TL431的导通和关断，再通过光耦控制HV的电压，从而控制前级SG3525输出信号的作用。R12、C7与TL431内部比较器构成积分电路。

E、过流保护电路，如下图所示：（该方法即是做过载保护功能）