摘 要： 設計實現了一個由MC9S08AW60單片機控制的輸出可調的高效直流節能回饋型電子負載。介紹了Boost升壓電路與電流型PWM控制器相結合的控制方法、單片機最小系統及上位機顯示設定界面。實驗結果表明，該設計實現了將3~35 V范圍內的電壓升壓到36~58 V范圍內并回饋到直流電源的輸入端，且實現了對節能老化實驗電源老化電流的精確控制，達到了經濟、環保、節能、高效的目的，具有廣闊的實用價值。
關鍵詞： MC9S08AW60；直流節能回饋型電子負載；Boost電路；節能老化
隨著科技的發展，各種各樣的直流電源被大量使用，而這些電源運行的可靠與否直接關系到系統運行的安全性，因此，這些電源出廠前必須要進行可靠性測試（主要是老化實驗）[1]。傳統電源老化測試一般都是采用水泥電阻能耗放電的辦法進行，其缺點是將用于檢測的電能完全消耗掉，產生的大量熱能不能充分利用，造成大量的能源浪費。為解決這一問題，研制出了直流節能回饋型電子負載[2]。本設計與一般電子負載的區別在于：一方面，它從被試直流電源吸收的電能85%以上回饋到其被試直流電源輸入端，不需要并網，從而最大限度地節約了成本；另一方面，由于所采用老化柜能實現大規模同時整體老化，對其被試直流電源進行串并聯，可對其不同規格的直流電源同時進行老化，更使其回饋效率增加，從而具有更廣闊的應用前景[3]。
1 系統方案設計
1.1 系統整體設計
直流節能回饋型電子負載主要包括：Boost直流升壓主電路[4]、過欠壓保護電路、AW60單片機控制最小系統、Boost驅動電路[5]以及RS-232通信模塊。直流節能回饋型電子負載系統圖如圖1所示。
Boost直流升壓主電路通過電感儲能才能使電壓升高，控制MOS管的占空比來控制電路的輸出電壓、電流，二極管續流，電容穩壓。此電路結構簡單、動態反應快、轉換效率高且不需要隔離，是中小功率的理想電路拓撲。但是在設計時要考慮如何抑制開機瞬間過激電流的缺點。
Boost驅動電路采用電流型PWM控制芯片UC2843，電路中直接控制峰值輸出側的電感電流大小，然后間接控制PWM脈沖寬度。該控制模式暫態閉環響應較快、控制環易于設計、易于實現限流和過流保護、回路穩定性好、負載響應快且多套系統并聯運行時均流效果好。但是容易發生次諧波震蕩。
RS-232通信模塊主要實現與PC間的通信，系統可通過PC自動設定啟動/停止等其他控制動作，能將數據上傳至PC，并通過PC來分析和判斷當前被測電源的特性，并能將老化完成后生成的老化數據以Excel的文件格式存儲，供客戶查詢或下載。
過壓、過流保護電路的功能就是當Boost主電路輸入電壓、電流達到系統設定的最大電壓、電流時，系統通過PWM比較器輸出高電平，造成PWM鎖存器復位而斷開整個回路，從而達到保護整個系統的目的。
1.2 系統工作原理
本系統工作模式為橫流拉載0~15 A，電流大小可通過PC進行獨立設置。輸入電壓范圍為5~35 V，單通道輸入最大功率為180 W。處理器MC9S08AW60[6]實時采樣電流、電壓值，經過差模運算后與當前設定值進行比較，從而調節輸出的PWM的占空比，控制MOS管的導通時間，從而實現直流節能型回饋電子負載實時數據與設定值相同。通過控制Boost驅動電路和Boost直流升壓主電路來達到回饋升壓的目的。通過RS-232通信模塊來實現友好的人機交互界面。目前大多采用高頻有源逆變技術實現老化能量回收利用的電源節能老化技術，但這些產品都是針對特定型號的大功率電源產品而設計的，其功能單一、通用性比較差，無論在控制要求還是產品性價比等方面，都無法適用于二次直流電源的節能老化試驗要求。
2 系統硬件設計
2.1 主控芯片的選擇
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種系統保護功能，電源電壓為5 V，內含60 KB的片內在線可編程Flash存儲器，帶有保護和安全選項，2 KB的片內RAM。在芯片上集成了一個串行外設接口（SPI）模塊和兩個獨立的串行通信接口（SCI）模塊，可以方便地與PC及時通信。兩個獨立的定時器/脈寬調制（TPM）模塊，支持傳統的輸入捕捉、輸出比較或已緩沖，對每個通道的脈沖寬度調制（PWM）。即使在各種惡劣環境下，HCS08系列亦達到極佳的EMC性能，它提供了不同的引腳數封裝選項及溫度范圍，該器件適用于電源老化的高溫環境。
2.2 Boost主電路
Boost直流升壓主電路如圖2所示，Boost主電路具有開關直流升壓的拓撲結構，C176、C177為濾波電容。
（1）充電過程。在充電過程中，Q23導通，雙二極管D18防止電容對地放電，由于輸入直流電，因此儲能電感L8里儲存了一些能量。
（2）放電過程。放電過程中，Q23截止，由于電感電流的保持性，流經L8的電流值會緩慢地由充電完畢時的值變為零。電感L8通過新的電路放電，即給電容兩端充電，電容兩端電壓升高，升壓結束。
（3）輸出端電容C81、C83、C84、C85、C86、C87、C89提供足夠大的容量，可以在放電過程中保持一個持續的電流，為橫流拉載[7]提供條件。
2.3 Boost驅動電路
Boost驅動電路以性能良好的UC2843[8]芯片為核心，控制MOS管的開通和關斷，從而控制輸出電壓。UC2843為8腳電流脈寬調制器，其外圍充電電路如圖3所示，R99、R108、C151組成緩沖器與MOS管并接，使開關管電壓力減少，EMI[9]減少，不發生二次擊穿。當R118上的電壓達到1 V時，UC2843停止工作，MOS管Q29立即關斷。由UC2843組成的Boost驅動電路的工作過程如下。
（1）電路工作時，UC2843的引腳7的工作電壓由Boost主電路的輸入提供。芯片開始工作后，引腳6會輸出脈沖信號驅動Boost主電路的MOS管工作，引腳2收到Boost驅動電路經取樣電路轉化的低壓直流反饋信號來判斷系統是否正常工作。
（2）電路工作正常時，芯片檢測電感電流和開關電流信號經引腳2送到芯片內部的高增益誤差放大器[10]內，與內部誤差放大器的輸出進行比較，峰值電感電流隨產生的誤差信號的變換而變化，改善了線性調整率，從而完成脈沖寬度的調制，最終達到穩壓的目的。
從上述的控制過程可以看出，利用UC2843芯片作為控制電路的主元器件形成的電路的優點表現在以下幾方面。
（1）將誤差放大器和電流測定比較器形成電壓外環，利用電流測定和電流測定比較器形成電流內環，用流過輸出電感電流的信號與芯片內部的基準電壓進行比較，調節驅動信號的占空比，控制脈寬，從而提高系統的穩定性。
（2）引腳3為電流采樣輸入端，當Boost主電路輸出過載或MOS管被擊穿采樣電路輸入端的電流超過最大允許電流值時，UC2843的內部進行自鎖定，停止輸出脈沖而中斷系統工作，大大地提高了系統的安全性能。
（3）UC2842的工作環境溫度范圍可達-55℃~1 250℃，最高輸入電壓高達40 V，具有鎖存功能的邏輯電路和能提供逐個脈沖限流控制的PWM比較器，最大占空比可達100%，完全適用于此電路。
3 實驗結果與分析
本文設計了一套實驗裝置，測試的直流電源將采用華為標準1/4磚的PW13QAAC型號二次直流電源模塊進行老化實驗，直流節能回饋型電子負載8通道[11]同時拉載，電流值分別設定為2 A、5 A、10 A，得到的數據如表1所示。本實驗通過RS-232通信可以在上位機顯示及設定每組的電流拉載值。
從測試數據可以看出：
（1）該直流節能回饋型電子負載能有效地將85%以上的電能重復利用，大功率長時間的帶載老化驗證了其可行性與優越性。
（2）該直流節能回饋型電子負載采用輸入輸出無需隔離，可靠性高，效率達85%以上，電路結構簡單，使得體積更小、成本低、易實現，以應用于實際設備中。
（3）該直流節能回饋型電子負載采用Boost結構作為主電路構建起的恒流拉載模式工作效率更高，足以滿足預期的要求。
（4）該直流節能回饋型電子負載可大規模同時老化不同型號的二次直流電源，應用前景廣闊。
參考文獻
[1] 周洪偉，羅建，吳英杰.低電壓太陽能供電系統設計[J].電子測量技術，2011，34（2）：18-21.
[2] 蔣益飛，周杏鵬.基于STM32直流電子負載的設計與實現[J].儀器儀表用戶，2012，19（3）：68-70.
[3] MAHROUS E A， MOSTAFA M， MOHAMED O. Development of high gain and efficiency photovoltaic system using multilevel boost converter topology[C]. 2010 2nd IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems（PEDG）， Hefei，2010，6：898-903.
[4] 韋世寬，雷加，談恩民.光伏系統最大功率點跟蹤技術研究[J].電子測量與儀器學報，2011，25（6）：490-494.
[5] 王天福，劉強，李志強.一種新型軟開關Boost變換器[J].通信電源技術，2010，27（5）：24-27.
[6] 陳強，鞠文耀，賈中璐.電能回饋直流電子負載的設計與實現[J].電力電子技術，2011，45（7）：109-110.
[7] 鄭曉慶，楊日杰，楊立永.多路輸出DC-DC電路設計[J].國外電子測量技術，2012，31（9）：31-33.
[8] RENSBURG J F， CASE M J， NICOLAE D V. Double-Boost DC to DC converter[C]. Industrial Electronics， 2008 （IECON 2008）， 34th Annual Conference of IEEE， Florida， 2008， 11：707-711.
[9] 黃朝霞，鄒云屏，王成智.基于PI控制的電力電子負載[J].高電壓技術，2009，35（6）：1451-1456.
[10] 鄧木生，嚴俊，廖無限.基于UC3843PWM控制的恒流電子負載的設計[J].電源技術應用，2010，13（11）：41-44.
[11] 杜井慶，高世橋，羅創.基于PID算法的控制量按任意函數變化的一種控制方法[J].儀器儀表學報，2011，32（6）：1317-1323.