学习笔记：电子负载实现原理

最近计划 DIY 一个电子负载仪。但是我对电子负载的实现原理只有一个很模糊的认识。在努力地搜索了一些资料学习后，大概知道了一些实现方向。再具体点的确实难搜，这次得主要依靠 Claude Sonnet 3.5 来救我了。

本文相当于我和 AI 的问答 + 我的理解，再转化成笔记。Claude Sonnet 3.5 至少不会像 OpenAI-4o 及之前版本那样满嘴跑火车，希望后续实现第一版时，硬件电路部分核心功能没有大问题。

什么是电子负载

可编程直流电子负载（Programmable DC Electronic Load, EL），是一种用于测试和评估电源设备性能的电子仪器。它可以模拟各种电气负载条件,帮助工程师分析和优化电源系统的性能。

主要功能：

• 恒流模式（CC）
• 恒压模式（CV）
• 恒功率模式（CW）
• 恒阻模式（CR）

一般，电子负载的核心组件是功率晶体管，通过精确的电流控制来消耗电能。

工作过程

1. 输入控制:用户设定所需的负载参数,如恒流、恒压、恒阻或恒功率模式。
2. 采样和反馈:电子负载会实时监测输入电压和电流。
3. 比较和调节:将采样值与设定值进行比较,生成误差信号。
4. 驱动控制:根据误差信号调整功率晶体管的导通程度。
5. 负载效应:功率晶体管消耗电能,对被测电源产生负载效应。
6. 循环调节:通过不断的采样、比较和调节,使负载参数稳定在设定值。

实现原理

一般来说，电子负载可以纯模拟电路实现，也可以使用数字电路实现。

1. 硬件实现的电子负载以其高精度、快速响应和高可靠性为特征，但面临着高成本和低灵活性的挑战。
2. 软件实现的电子负载优势在于低成本、高灵活性和易于更新，但在精度和响应速度方面可能不如硬件实现。
3. 软硬件结合的方式试图在性能和成本之间取得平衡，提供了良好的灵活性和可扩展性，但设计更为复杂，需要注意软硬件的协调。

核心电路

由功率晶体管（一般是 MOSFET ）充当可调电阻，控制电流的流动并消耗电能。与其串联一个精密低阻值的检流电阻来计算电流值。

负载两端的电压和检流电阻的两端的电压将传给控制电路，控制器通过对比电压的值与设定的值来动态调节功率器件的电流，从而确保符合设定。

运算放大器

电子负载中非常重要的一个部分就是误差放大，常用运算放大器来实现。

工作原理

运算放大器是一种具有高增益的直流耦合差分放大器,广泛应用于模拟电路中。它通常有两个输入端和一个输出端:

1. 同相输入端(+)
2. 反相输入端(-)
3. 输出端

运放的共模输入是指同时施加在两个输入端上的相同信号。换句话说,当两个输入端接收到相同的电压时,这个电压就被称为共模输入电压。

共模输入的主要特点和作用包括:

1. 理想情况下,运放应该只对差模信号(两个输入端之间的电压差)做出响应,而完全抑制共模信号。这种能力称为共模抑制。
2. 在实际应用中,共模输入常常代表着不需要的干扰或噪声。例如,在测量微小差分信号时,可能会有较大的共模干扰存在。
3. 运放的共模抑制比(CMRR)是衡量其抑制共模信号能力的重要参数。CMRR越高,运放对共模信号的抑制能力越强。
4. 共模输入范围(CMIR)定义了运放能够正常工作的最大共模输入电压范围。超出这个范围可能导致运放失真或饱和。
5. 在某些应用中,如仪表放大器,利用共模输入可以有效地消除共同存在于两个输入信号中的噪声或干扰。
6. 在差分放大器电路中,共模输入可用于设置输出的直流偏置电平。

选型

购买适用于电子负载 CC 模式、CV 模式中用来放大误差的运放时，应该选择：

1. 高增益： 运放需要有较高的开环增益，通常在 100,000 (100dB) 以上。这确保了电路能够精确地维持恒定电流，即使在负载变化时也能快速响应。
2. 低输入失调电压： 低输入失调电压对于精确控制小电流尤为重要。理想情况下，输入失调电压应该在毫伏级或更低。
3. 低输入偏置电流： 输入偏置电流应尽可能小，以减少对检测电阻上电压的影响，特别是在低电流应用中。
4. 宽输出摆幅： 运放应能提供接近电源电压的输出摆幅，以便在各种负载条件下都能有效地控制 MOS 管。
5. 适当的带宽： 带宽需要足够宽以确保快速响应，但也不宜过宽以避免不必要的噪声。对于大多数恒流应用，几百 kHz 到几 MHz 的带宽通常就足够了。
6. 低噪声： 特别是在控制小电流时，低噪声特性变得尤为重要，以确保输出电流的稳定性。
7. 良好的共模抑制比（CMRR）： 高 CMRR 有助于抑制共模噪声，提高电路的整体性能。
8. 适当的斜率率： 足够快的斜率率能确保运放能够快速响应负载变化，维持恒定电流。
9. 电源电压范围： 运放的工作电压范围应与整个电路的电源要求相匹配。
10. 温度稳定性： 在宽温度范围内保持稳定性能对于保证恒流源的精度很重要。
11. 输出电流能力： 运放应能提供足够的输出电流来驱动 MOS 管的栅极，特别是在高频操作或大型 MOS 管的情况下。
12. 保护特性： 某些应用可能需要内置的过压保护或短路保护功能。

选择非轨到轨运放的可行性

出于成本和实际情况考虑，可以选择非轨到轨（rail-to-rail）的运放。

CC 模式（恒流模式）：

可行性：

1. 中高电流范围：在中等到高电流范围内，使用非轨到轨运放是完全可行的。
2. 电压裕度：如果系统设计保证了足够的电压裕度，非轨到轨运放可以正常工作。

挑战：

1. 低电流检测：在极低电流时，检流电阻上的电压降可能接近0V，这可能超出非轨到轨运放的输入范围。
2. 动态范围：如果需要非常宽的电流动态范围，可能会遇到输入信号超出运放工作范围的问题。

解决方案：

1. 使用双电源供电，提供负电压，扩大运放的工作范围。
2. 采用电压偏置技术，将低电压信号抬升到运放的有效输入范围内。
3. 对于低电流范围，可以使用更大的检流电阻来产生更大的电压信号。

CV 模式（恒压模式）：

可行性：

1. 中等电压范围：在不接近电源轨的电压范围内，非轨到轨运放通常可以正常工作。
2. 输出控制：如果控制 MOSFET 所需的电压在运放的输出范围内，使用非轨到轨运放是可行的。

挑战：

1. 低电压设定：当需要设定非常低的电压时，可能会接近运放的下限。
2. 高电压检测：在接近电源电压的高电压设定时，可能超出运放的输入范围。

解决方案：

1. 使用电压分压器网络来降低高电压输入。
2. 采用电平转换电路来处理接近电源轨的信号。
3. 对于低电压设定，可以考虑使用偏置电路。

总结：

在电子负载的 CC 和 CV 模式中，使用非轨到轨运放是可行的，但需要仔细考虑电路设计以克服潜在的限制。关键在于：

1. 合理选择电源电压和参考电压。
2. 适当设计信号调理电路。
3. 在必要时使用双电源供电。
4. 针对特定的工作范围优化电路。

使用双电源

在 CC 模式下，处理低电流时，电流反馈的电压降非常低，即使使用轨到轨的运放也无法避免在没有负电源的情况下良好工作。所以我们直接考虑使用双电源。

下面以 OPAx227 系列芯片为例，来说明选择双电源的必要性：

1. 输入信号范围：
   • 在 CC 模式下，您需要比较检测电阻上的电压与参考电压。
   • 如果这些电压可能接近地电位或为负值，那么单电源可能不足以确保正常工作。
2. 输出要求：
   • 误差放大器的输出通常用于控制功率器件（如 MOSFET）。
   • 如果需要输出接近地电位的电压来关断 MOSFET，单电源可能无法满足要求。
3. OPAx277 的特性：
   • 输入共模电压范围：V- + 2V 到 V+ - 2V
   • 输出摆幅：距离正负电源轨约 1.5V 到 2V
4. 精度考虑：
   • 在单电源情况下，接近地电位的信号可能会引入额外的误差。

基于以上分析，可以得出一些结论：

1. 使用双电源：
   • 考虑到 OPAx277 的特性和电子负载的要求，使用双电源是更好的选择。
   • 这将允许运放在正负电压范围内工作，提供更大的动态范围和更高的精度。
2. 电源电压选择：
   • 根据您的具体需求选择合适的正负电源电压。
   • 例如，±12V 或 ±15V 是常见的选择。
3. 电路设计考虑：
   • 确保所有信号都在运放的有效输入范围内。
   • 考虑使用电压跟随器或缓冲级来处理接近电源轨的信号。
4. 替代方案：
   • 如果确实需要使用单电源，您可能需要考虑更换为轨到轨输入输出型运放。
   • 但这可能会牺牲一些 OPAx277 的高精度特性。

小结一下。考虑到 OPAx277 的特性和电子负载 CC 模式的要求，我建议使用双电源供电。这将充分发挥 OPAx277 的性能优势，提供更高的精度和更大的操作余量。

在 CV 模式下，同样使用双电源，原因也很简单，已经有双电源的情况下，使用双电源有性能优势，并且没有什么额外的坏处。不过双电源时，需要考虑运放输出负电压时，对功率 MOSFET 的保护了。

电荷泵

电荷泵可以用非常少的外围元件为运方生成与正电压电源相同的负电压，从而实现电子负载的负电源供电。

对于电荷泵电路，选择合适的电容是非常重要的，因为它们直接影响电荷泵的效率和输出质量。电荷泵通常需要两个主要电容：一个用于电荷转移（飞跃电容），另一个用于输出滤波。让我们详细讨论这两种电容的选择：

1. 飞跃电容（Charge Transfer Capacitor）：

   推荐类型：多层陶瓷电容（MLCC） 原因：

   • 低 ESR（等效串联电阻）
   • 高频特性好
   • 体积小
   • 可靠性高

   建议规格：

   • 容值：通常为 1μF 到 10μF，具体取决于您的电荷泵IC和所需的输出电流
   • 电压额定：至少是输入电压的两倍
   • 介质：X7R 或 X5R（温度特性较好）

2. 输出滤波电容：

   推荐类型：固态铝电解电容或大容量 MLCC 原因：

   • 较大容量
   • 低 ESR
   • 良好的纹波抑制能力

   建议规格：

   • 容值：通常为 10μF 到 100μF，取决于负载需求和纹波要求
   • 电压额定：至少是输出电压的 1.5 倍
   • 如果选择 MLCC，考虑使用 X7R 或 X5R 介质

具体建议：

1. 飞跃电容：

   • 使用 4.7μF 或 10μF 的 X7R MLCC
   • 电压额定选择 16V 或更高（假设您的输入电压为 5V）

2. 输出滤波电容：

   • 使用 22μF 或 47μF 的固态铝电解电容
   • 或者使用 22μF X7R MLCC（可能需要并联多个以达到所需容值）

额外考虑：

1. 并联小容量电容：

   • 在输出滤波电容旁并联一个 0.1μF 的陶瓷电容，以提供更好的高频去耦。

2. 温度因素：

   • 如果您的设备可能在宽温度范围内工作，确保选择的电容在整个温度范围内保持良好的特性。

3. 布局考虑：

   • 将飞跃电容尽可能靠近电荷泵IC放置。
   • 输出滤波电容也应靠近电荷泵输出引脚。

4. 电压应力：

   • 考虑电荷泵工作时电容可能承受的最大电压，选择具有足够裕度的电压额定。

5. 生命周期：

   • 固态铝电解电容通常具有比普通电解电容更长的使用寿命，这对长期可靠性很重要。

通过选择这些类型的电容，您应该能够获得一个高效、低噪声的电荷泵输出。这将为您的运算放大器提供一个稳定的负电源。

N-MOS 栅极电压

N-MOS 栅极电压考虑：

1. 正常操作范围：
   • N-MOS 管通常在栅源电压（V <sub>GS </sub>）为正时导通。
   • 典型的阈值电压（Vth）范围在 0.5V 到 3V 之间，具体取决于器件。
2. 负栅极电压的影响：
   • 对大多数 NMOS 来说，施加负栅极电压并不会导致导通。
   • 然而，过大的负栅极电压可能会损坏栅极绝缘层。
3. 保护措施：
   • 许多 NMOS 设备内置有栅极保护二极管，但不应依赖这些来承受持续的负电压。

解决方案：

1. 电平转换：
   • 使用电平转换电路将运放的输出转换为仅正电压范围。
   • 可以考虑使用简单的二极管钳位电路。
2. 偏置电路：
   • 在运放输出和 NMOS 栅极之间添加一个偏置电路，确保栅极电压始终为正。
3. 运放输出限制：
   • 通过适当的反馈设计，限制运放的输出永远不会低于某个安全的正电压值。
4. 缓冲级：
   • 在运放输出和 NMOS 栅极之间添加一个缓冲放大器，可以更好地控制栅极电压范围。

恒压/恒流模式（CV/CC）

电子负载同时实现CV模式并在必要时切换到CC模式的过程如下：

1. 初始设置：
   • 用户设置目标电压（CV模式）和最大电流限制。
   • 控制电路初始化为CV模式。
2. 持续监测：
   • 电子负载持续监测输入电压和电流。
   • 使用高速ADC（模数转换器）进行实时采样。
3. CV模式操作：
   • 控制电路调整MOSFET的栅极电压，以维持设定的电压值。
   • 使用电压反馈回路进行精确控制。
4. 电流监控：
   • 同时，通过电流感测电阻持续监控负载电流。
5. 模式切换逻辑： a) 如果实际电压 ≥ 设定电压 且 电流 < 限制值：
   • 保持CV模式。 b) 如果实际电压 < 设定电压 或 电流 ≥ 限制值：
   • 切换到CC模式。
6. CC模式操作：
   • 控制电路调整MOSFET，以限制电流至设定的最大值。
   • 使用电流反馈回路进行控制。
7. 动态响应：
   • 控制电路能够快速响应负载条件的变化。
   • 通常能在微秒级别内完成模式切换。
8. 滞后设计：
   • 为防止在临界点附近频繁切换，通常会设置一个小的滞后范围。
   • 例如，可能允许电压比设定值低0.1%或电流超过限制值0.1%才触发切换。
9. 软件控制：
   • 现代电子负载通常使用微控制器或DSP实现控制逻辑。
   • 这允许复杂的决策算法和平滑的模式转换。
10. 保护机制：
    • 除了基本的模式切换，还包括过压、过流、过温等保护机制。
    • 这些机制可能导致负载完全关闭以保护设备。
11. 用户界面反馈：
    • 当模式切换发生时，通过显示屏或LED指示灯通知用户。
12. 数据记录：
    • 许多高级电子负载会记录模式切换的时间和原因，用于后续分析。

实际应用示例： 假设测试一个12V电源，电子负载设置如下：

• CV模式设定为11.5V
• 最大电流限制为5A

工作过程：

1. 初始状态下，负载在CV模式，维持11.5V。
2. 如果电源电压降至11.4V，负载尝试增加电流以维持11.5V。
3. 如果电流达到5A限制，负载自动切换到CC模式，限制电流在5A。
4. 如果之后电源电压恢复到11.6V以上，且电流需求低于5A，负载可能切回CV模式。

这种设计允许电子负载在不同的工作条件下提供最佳的测试和负载模拟，同时保护被测设备和负载本身免受潜在的损坏。

在现代电子负载中，电压误差放大器和电流误差放大器确实是同时工作的。这种设计有几个重要的优点和特点：

1. 并行处理：
   • 两个误差放大器同时监测和处理电压和电流信息。
   • 这种并行处理提高了系统的响应速度和精确度。
2. 快速模式切换：
   • 由于两个放大器同时工作，系统可以瞬时切换between CV和CC模式。
   • 不需要启动或初始化另一个放大器，减少了切换延迟。
3. 动态响应：
   • 系统可以实时响应负载条件的变化。
   • 即使在CV模式下，电流误差放大器也在监测电流，为可能的CC模式切换做准备。
4. 控制逻辑决策：
   • 控制逻辑（通常是微控制器或DSP）接收来自两个误差放大器的输出。
   • 基于这两个输入，控制逻辑决定使用哪个误差信号来调节MOSFET。
5. 无缝过渡：
   • 当负载条件变化时，系统可以平滑地从一个模式过渡到另一个模式。
   • 这减少了测试过程中的瞬态干扰。
6. 复合控制策略：
   • 一些高级电子负载可能使用两个误差信号的组合来优化控制。
   • 例如，在CV模式下也可能使用电流信息来改善动态响应。
7. 保护机制：
   • 即使在CV模式下，电流误差放大器也在监测过流情况。
   • 这允许快速触发保护机制，无论当前工作模式如何。
8. 高级功能实现：
   • 同时处理电压和电流信息使得实现更复杂的负载模拟成为可能。
   • 例如，模拟非线性负载或实现动态阻抗测试。
9. 校准和精度：
   • 两个放大器的同时工作有助于系统的自校准和交叉验证。
   • 这可以提高整体测量精度。
10. 反馈环路优化：
    • 设计者可以独立优化电压和电流反馈环路，以获得最佳性能。

工作原理示例：

1. 在CV模式下：
   • 电压误差放大器的输出主要用于控制MOSFET。
   • 电流误差放大器持续监测，但其输出暂时不用于主要控制。
2. 在CC模式下：
   • 电流误差放大器的输出主要用于控制MOSFET。
   • 电压误差放大器继续监测，为可能的模式切换做准备。
3. 模式切换时：
   • 控制逻辑快速切换使用哪个误差信号来控制MOSFET。
   • 由于两个放大器一直在工作，切换可以几乎瞬时完成。

这种设计方法使得电子负载能够更灵活、更快速地响应各种测试场景，提高了整体性能和可靠性。

电压检测

作为电子负载的电压检测并通过软件实现CV（恒压）模式，建议使用以下方案检测电压：

1. 高精度运算放大器电路： 使用高精度、低偏移的运算放大器构建一个电压跟随器电路，配合精密电阻分压网络。这种方案可以提供：

   • 高精度的电压检测
   • 低输出阻抗，不会影响ADC的采样
   • 快速响应，适合CV模式的实时控制

2. 精密电阻分压网络： 使用高精度（0.1%或更好）、低温漂的电阻进行分压。这可以确保在不同温度下保持稳定的分压比。

3. 过压保护： 在运放输入端添加齐纳二极管或瞬态抑制二极管，以保护ADC输入免受可能的过压损坏。

4. 低通滤波： 在运放输出端添加一个RC低通滤波电路，以滤除高频噪声，提高ADC采样的稳定性。

5. ADC配置：

   • 使用STM32G431CB的高分辨率ADC（最高12位）
   • 适当配置采样时间，以获得最佳的转换精度
   • 利用ADC的DMA功能，实现高速、连续的电压采样

6. 软件实现：

   • 使用ADC采样数据实时计算实际电压值
   • 根据设定的CV值和实际电压值，通过PID或其他控制算法调整电子负载的电流
   • 利用STM32G431CB的高性能内核，实现快速的控制循环

这种方案结合了硬件的高精度和软件的灵活性，非常适合实现电子负载的CV模式。它可以提供精确的电压检测，同时允许您通过软件算法实现复杂的控制策略，如软启动、过压保护等功能。