#第五届立创电子设计大赛#数控直流电子负载 - 立创开源硬件平台
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一、硬件分析
电子负载从测试电源的种类来分可以分为交流电子负载和直流电子负载。从功能上划分常见的有恒流、恒压、恒阻、恒功率四种类型。因为我们常见的大多数电源都是恒压直流电源。测试这类电源时，主要测试的是其电流输出能力。所以大多数的应用场景中，直流恒流电子负载是最为常见的类型。而电子负载从控制方式上划分则又可以分为数控和模拟两种类型。相较于使用纯模拟电路控制的电子负载，数控电子负载使用数字控制，在参数调节上更为直观，而且功能丰富、扩充简单，还可以方便的实现测试的自动化。
1、硬件通路
可以看到前置具有防反接二极管。
例如橙色线，主要是由MOS管控制负载的开关，电流流经采样电阻会产生压降，当该压降VRS小于参考电压REF_VOL时，运放控制MOS管开启，此时流经RS的电流开始上升，直到RS上产生的压降高于参考电压时，运放关闭MOS管，流经RS的电流开始减小。如此循环往复，使得MOS管工作在线性区的某个位置以实现对负载电流的控制。最终负载的恒流值由采样电阻RS和参考电压REF_VOL共同决定。
核心控制器控制MOSFET的导通量（占空比大小）,实现对电路参数的稳定控制，从而控制电路的导通状态，实现电流的控制。其一般具有检流电路与反馈控制电路，当输出电流与DAC设定值不同时，其通过反馈后输出高、低电平控制NMOS管的导通与关闭，从而实现动态控制。即通过控制功率管导通实现电路的电流值的变化。
2、双线电压采集电路-电源输入电压测试
其中A+为负载的正输入端，A-为负载的负输入端，将电源接入A+与A-后，通过保险丝保护电路与R4、R5分压电路，其输入电压比上输出电压约为1:0.091左右。
同时后端接入保护二极管ZMM3V6，其可以将超过3.6V的电压强制稳定在3.6V，而低于3.6V的电压仍保持不变，其通过限制最大电压实现保护输出端接入的ADC，同时在输入端与分压后端接入电容，进一步滤除直流信号中的高频杂波。此时ADC前级分压电阻不可过小，否则其上加载的大电压导致电流较高，一旦超过常规贴片电阻的25mA，电路就有烧毁的风险。而电阻也不可过大，否则输出电阻与ADC采样电阻处于同一数量级，降低至测得的电压构成有效的分压网络，实际测得值将偏小。
3、四线电压采集电路
由于从电源输出到负载接入端，其具有低阻抗的导线，必然产生一定的压降，且随着电流的增大，压降也将逐渐增大，故我们测得的电压并不一定是电源输出的实际电压。同时负载的负端到PCB的GND板极也是具有一定的阻抗，故GND参考点并不是以实际的GND为准的，但是也不可以直接将PCB板极的GND接入到电源负端，其将增加电路干扰，并导致抗干扰能力降低。
因此需要采用四线电压负载，简单而言我们将测试的是电源的正负端的压差，而不仅仅是将电源负端接入到电子负载的负端，从而测量电源正到GND的压差，这将大大提高准确率。
4、电流采集电路
本设计采用了电流通过电阻后进行放大两端的电压差并传输给ADC进行采集。而采用的NMOS管控制电路导通性也在电流校准功能的时候，保持畅通状态，即DAC输出一个最大值保证NMOS保持一直导通的状态，实际电流由外部电源决定。
其电流经过R8、R10的并联电阻后此时电流从两路通过可以尽快能保证采样电阻的电流在其线性范围，同时增大电流检测量程，端压差为U=3*I/1000。经过INA199A1差分放大器稳定放大50倍后，其输出的REF引脚在10A电流时，输出最大1.5V电压，经过稳压保护二极管保证电压不会超过3.6V，同时增加滤波电容，保证ADC采集到较纯净的直流信号。
5、恒流负载控制电路
（1）、负载保护电路
负载保护电路，其左边为一个比较器，其中在比较器的+端输入一个稳定的3.3V分压电路，而SYS-EN接入到STM32的引脚，当STM32输出高电平，将导致比较器负端电压大于正端电压并输出低电平输出至三极管B级，其将导致Q2三极管不导通，此时NMOS的N级将完全由负载控制电路决定。而如果检测到电压或者电流异常后，SYS-EN将输出低电平，其将导致比较器输出高电平，使得Q2三极管C-E导通，NMOS管的N级保持接入GND，NMOS管将不导通，实现恒流负载开路，实现电路的保护。
（2）、恒流控制电路
恒流控制电路，此时NMOS管导通情况由U10运放输出的电平决定，此时我们将R8、R10两端电压差经过U13运放做比较器输出至LM324的负端，此时REF-VOL为DAC输出的电压值，当其输出的电压通过跟随器与分压电路到12引脚后，若正端大于负端，运放U10将输出高电平使得NMOS管处于导通状态，此时电路的电流将逐渐上升，而R8、R10两端的电压差也将逐渐增大，并导致U10的负端引脚电压增大并超过12引脚，使得U10运放输出低电平并将NMOS管关闭。
6、辅助电源
采用DC-005 12V输入，经过7809和AMS1117-3.3实现系统的辅助供电设计。
7、ADC采样与DAC输出
8、温度监控与风扇控制
原理较为简单。
9、外置存储
可以存储校准数据、断电前的设置数据等。
