一种具有自动温度调控功能的电子负载功率限制电路的制作方法

1.本发明涉及功率限制电路领域，尤指一种具有自动温度调控功能的电子负载功率限制电路。


背景技术：

2.直流电子负载是能够仿真真实负载特性的电子设备,电子负载作为一种常用的电力电子测试仪器，在电源测试老化领域得到了广泛的应用。随着电池行业的飞速发展，电子负载的需求与应用也更加多元化。
3.电子负载作为一种能耗性设备，其原理性质以及应用场景，使得电子负载大多处在高温的环境下运行，而电子负载的功率消耗元件基本上都是mos管，温度的变化对mos管的安全工作区有很大影响，所以温度是电子负载安全稳定工作的一个非常重要的条件。
4.目前市面上的电子负载一般采用软件检测保护的方式，通过dsp对电压电流及温度信号进行采样计算，当功率超过最大功率限定值或者采样温度超过最大允许温度时，进行告警关机保护。但是这种保护方式存在一些缺点：由于测试设备与电子负载之间接线存等效在电感，进行快速恒流/恒压加载测试时，会存在电压/电流尖峰，容易造成短时的过功率现象，触发告警保护，而如果通过延长保护时间增加保护延迟来消除此告警保护，则有可能在需要保护时未能及时保护设备；另一方面，在设备使用电子负载老化时，老化房温度会随着老化的进行而持续升高，电子负载往往更容易出现过温保护，造成带载中断，影响设备测试进程，对于一切特殊设备，例如燃料电池，突然的带载中断极有可能会对测试设备造成损坏。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提出了一种具有自动温度调控功能的电子负载功率限制电路，能够有效抑制瞬时的功率冲击，并且具有自动温度调控功能，确保功率模块电路安全工作的前提下，不会出现突然的卸载问题，为一些特殊需求的应用提供了保障。同时也可以通过dac实现不同功率限制点的调节。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有自动温度调控功能的电子负载功率限制电路，包括功率模块电路；电压采样电路，与功率模块电路连接并用于检测功率模块电路的电压，并输出电压采样信号x1至乘法器电路；电流采样电路，与功率模块电路连接并用于检测功率模块电路的电流，并输出电流采样信号y1至乘法器电路；温度采样电路，与功率模块电路贴紧并用于检测功率模块电路的温度，并输出温度采样信号z至乘法器电路；电流设定电路，输出v_iset信号至功率模块电路，且功率模块电路根据该v_iset信号输出设定电流；
其中乘法器电路包括乘法器u3以及乘法器输出电路，其中乘法器u3包括用于x1信号输入端、y1信号输入端以及z信号输入端、w信号输出端，其中电压采样信号x1与x1信号输入端连接，电流采样信号y1与y1信号输入端连接，温度采样信号z与z信号输入端连接，且w信号输出端通过乘法器输出电路与电流设定电路的输出端连接，并对v_iset信号进行钳位改变功率模块电路的设定电流。
7.进一步，电流设定电路包括电阻r1、电阻r3、电阻r6、电阻r9、电阻r11、电容c3、电容c4、运放器u2b、二极管d1，其中电阻r6与运放器u2b的反向输入端连接，电阻r9与运放器u2b的正向输入端连接，运放器u2b的正向输入端通过电容c4接地，运放器u2b的正向输入端通过电阻r11接地，其中运放器u2b的输出端与二极管d1负极连接，且二极管d1正极为v_iset信号输入端；其中电阻r3一端与运放器u2b的反向输入端连接，另一端与二极管d1正极连接;其中电容c2一端与运放器u2b的反向输入端连接，另一端与二极管d1正极连接,电阻r1与二极管d1正极连接。
8.进一步，还包括功率模块驱动电路，其中功率模块驱动电路包括电阻r4、运放器u1b、电容c1、电阻r2、电阻r5、场效应管q1，其中二极管d1正极通过电阻r4与运放器u1b正向输入端连接，运放器u1b输出端通过电阻r2与场效应管q1的g极连接，场效应管q1的二极管d极与功率模块电路端dc+端连接，电阻r5一端与场效应管q1的g极连接，电阻r5另一端与功率模块电路端dc-端连接；电容c1一端与运放器u1b反向输入端连接，另一端与运放器u1b输出端连接。
9.进一步，电流采样电路包括电阻rs1、电阻r7、电阻r8、电阻r10、电阻r13、电阻r14、电容c3、电容c5、运放器u1a，其中电阻rs1、电阻r13、电阻r14、电容c5的一端均与功率模块电路端dc-端连接，且电阻r14的一端与运放器u1a的反向输入端连接，电阻r13、电阻r14、电容c5的另一端与运放器u1a的正向输入端连接，电阻rs1的另一端通过电阻r10与运放器u1a的正向输入端连接，电容c3的一端与运放器u1a的反向输入端连接，电容c3的另一端与运放器u1a的输出端连接，电阻r8的一端与运放器u1a的反向输入端连接，电阻r8的另一端与运放器u1a的输出端连接，其中运放器u1a的输出端通过电阻r7与运放器u1b的反向输入端连接，运放器u1a的输出端还通过电阻r12与乘法器u3的y1信号输入端连接。
10.进一步，所述电压采样电路包括电阻r16、电阻r17、电阻r19、电阻r20、运放器u2a，其中电阻r19的一端与功率模块电路端dc+端连接，电阻r19的另一端与运放器u2a的正向输入端连接，电阻r17的一端与功率模块电路端dc-端连接，电阻r17的另一端与运放器u2a的反向输入端连接，运放器u2a的输出端与乘法器u3的x1信号输入端连接；运放器u2a的反向输入端通过电阻r16与运放器u2a的输出端；运放器u2a的正向输入端通过电阻r20接地。
11.进一步，温度采样电路包括热敏电阻ntc1、电阻r21、电阻r22、电阻r25、电阻r26、运放器u4a、运放器u4b、二极管d2，其中热敏电阻ntc1的一端与基准电压连接，热敏电阻ntc1的另一端通过电阻r25接地，且热敏电阻ntc1的另一端还与运放器u4a的正向输入端连接，电阻r22的一端与基准电压连接，电阻r22的另一端通过电阻r26接地，其中电阻r22的另一端还与运放器u4a的反向输入端连接；电阻r21的一端与运放器u4a的反向输入端连接，电阻r21另一端与运放器u4a的输出端连接，其中运放器u4a的输出端与运放器u4b的正向输入端连接，运放器u4b的输出端与二极管d2正极连接，二极管d2的负极与运放器u4b的反向输入端连接，二极管d2的负极与乘法器u3的z信号输入端连接。
12.进一步，乘法器输出电路包括电阻r24、电阻r27、电阻r28、电阻r29、电阻r30、电阻r31、电容c8、运放器u5、二极管d3，乘法器u3的w信号输出端通过电阻r27与运放器u5a的正向输入端连接，运放器u5a的反向输入端通过电阻r31接地，电阻r30的一端与运放器u5a的反向输入端连接，电阻r30另一端与运放器u5a的输出端连接；运放器u5a的输出端通过电阻r28与运放器u5b的反向输入端连接，且电阻r24与运放器u5b的正向输入端连接，运放器u5b的输出端与二极管d3负极连接，其中电阻r29的一端与运放器u5b的反向输入端，电阻r29的另一端通过电容c8与二极管d3正极连接，且二极管d3正极与v_iset信号输入端连接。
13.进一步，电阻r24为可调电位器。
14.进一步，乘法器输出电路还包括电阻r15、电阻r18，其中电阻r15与乘法器u3的x2信号输入端连接，电阻r18与乘法器u3的y2信号输入端连接。
15.进一步，电阻r15、电阻r18均为可调电位器。
16.本发明的有益效果在于：1.整体电路具备电压、电流、温度检测电路，可以对功率模块电路的端电压、带载电流、散热片温度进行采样，并将信号传输给乘法器u3，乘法器计算公式：w=(((x1-x2)*(y1-y2))/10v)+z。
17.2.整体电路还具有电压、电流失调校准功能，提高功率限制精度。
18.3.电路通过乘法器u3设定有功率限制温度阀值，ntc采样温度小于设定的功率限制温度阀值，功率模块电路以最大功率运行。ntc采样温度高于设定的功率限制温度阀值，功率模块电路随着采样温度的升高而减小功率模块电路电流，从而降低功率。ntc采样温度高于最大温度限定值时，功率模块电路电流降低到零。ntc采样温度低于最大温度限定值后，功率模块电路电流随着采样温度的降低而增大，直到恢复最大功率运行。
19.4.整体电路能够有效抑制瞬时的功率冲击，并且具有自动温度调控功能，确保功率模块电路安全工作的前提下，不会出现突然的卸载问题，为一些特殊需求的应用提供了保障，增加了测试老化的安全性。同时也可以通过dac实现不同功率限制点的调节。
附图说明
20.图1 是电流设定电路原理示意图。
21.图2 是电压采样电路原理示意图。
22.图3 是温度采样电路原理示意图。
23.图4 是电流采样电路以及功率模块驱动电路的原理示意图。
24.图5 是乘法器电路原理示意图。
25.图6 是整体电子负载功率限制电路原理框图示意图。
26.图7 是整体电子负载功率限制电路原理示意图。
27.附图标号说明：电流设定电路1、电压采样电路2、温度采样电路3、功率模块电路4、乘法器电路5、电流采样电路6、功率模块驱动电路7。
具体实施方式
28.请参阅图1-7所示，本发明关于一种具有自动温度调控功能的电子负载功率限制电路，包括功率模块电路4；
电压采样电路2，与功率模块电路4连接并用于检测功率模块电路4的电压，并输出电压采样信号x1至乘法器电路5；电流采样电路6，与功率模块电路4连接并用于检测功率模块电路4的电流，并输出电流采样信号y1至乘法器电路5；温度采样电路3，与功率模块电路4贴紧并用于检测功率模块电路4的温度，并输出温度采样信号z至乘法器电路5；电流设定电路1，输出v_iset信号至功率模块电路4，且功率模块电路4根据该v_iset信号输出设定电流；其中乘法器电路5包括乘法器u3以及乘法器输出电路，其中乘法器u3包括用于x1信号输入端、y1信号输入端以及z信号输入端、w信号输出端，其中电压采样信号x1与x1信号输入端连接，电流采样信号y1与y1信号输入端连接，温度采样信号z与z信号输入端连接，且w信号输出端通过乘法器输出电路与电流设定电路1的输出端连接，并对v_iset信号进行钳位改变功率模块电路4的设定电流，乘法器u3计算公式：w=(((x1-x2)*(y1-y2))/10v)+z。
29.电路具备电压、电流、温度检测电路，可以对功率模块电路4的端电压、带载电流、散热片温度进行采样，并将信号传输给乘法器u3，乘法器计算公式：w=(((x1-x2)*(y1-y2))/10v)+z。
30.整体电路还具有电压、电流失调校准功能，提高功率限制精度。
31.电路通过乘法器u3设定有功率限制温度阀值，ntc采样温度小于设定的功率限制温度阀值，功率模块电路4以最大功率运行。ntc采样温度高于设定的功率限制温度阀值，功率模块电路4随着采样温度的升高而减小功率模块电路4电流，从而降低功率。ntc采样温度高于最大温度限定值时，功率模块电路4电流降低到零。ntc采样温度低于最大温度限定值后，功率模块电路4电流随着采样温度的降低而增大，直到恢复最大功率运行。
32.整体电路能够有效抑制瞬时的功率冲击，并且具有自动温度调控功能，确保功率模块电路4安全工作的前提下，不会出现突然的卸载问题，为一些特殊需求的应用提供了保障，增加了测试老化的安全性。同时也可以通过dac实现不同功率限制点的调节。
33.进一步，电流设定电路1包括电阻r1、电阻r3、电阻r6、电阻r9、电阻r11、电容c3、电容c4、运放器u2b、二极管d1，其中电阻r6与运放器u2b的反向输入端连接，电阻r9与运放器u2b的正向输入端连接，运放器u2b的正向输入端通过电容c4接地，运放器u2b的正向输入端通过电阻r11接地，其中运放器u2b的输出端与二极管d1负极连接，且二极管d1正极为v_iset信号输入端；其中电阻r3一端与运放器u2b的反向输入端连接，另一端与二极管d1正极连接;其中电容c2一端与运放器u2b的反向输入端连接，另一端与二极管d1正极连接,电阻r1与二极管d1正极连接。
34.其中r1、r3、r6、r9、r11、c3、c4、u2b、d1组成电流设定电路1，dac发出差分模拟电压信号经过运放u2b进行比例放大，经过r4，作为u1b正向输入端信号v_iset，c2/c4与r6/r9构成低通滤波电路，抑制dac模拟电压信号的高频噪音。
35.进一步，还包括功率模块驱动电路7，其中功率模块驱动电路7包括电阻r4、运放器u1b、电容c1、电阻r2、电阻r5、场效应管q1，其中二极管d1正极通过电阻r4与运放器u1b正向输入端连接，运放器u1b输出端通过电阻r2与场效应管q1的g极连接，场效应管q1的二极管d极与功率模块电路4端dc+端连接，电阻r5一端与场效应管q1的g极连接，电阻r5另一端与功
率模块电路4端dc-端连接；电容c1一端与运放器u1b反向输入端连接，另一端与运放器u1b输出端连接。v_iset信号和电流信号分别输入到u1b的正向、反向输入端进行信号误差比较放大，u1b输出端驱动功率管q1导通，达到预设电流值。
36.进一步，电流采样电路6包括电阻rs1、电阻r7、电阻r8、电阻r10、电阻r13、电阻r14、电容c3、电容c5、运放器u1a，其中电阻rs1、电阻r13、电阻r14、电容c5的一端均与功率模块电路4端dc-端连接，且电阻r14的一端与运放器u1a的反向输入端连接，电阻r13、电阻r14、电容c5的另一端与运放器u1a的正向输入端连接，电阻rs1的另一端通过电阻r10与运放器u1a的正向输入端连接，电容c3的一端与运放器u1a的反向输入端连接，电容c3的另一端与运放器u1a的输出端连接，电阻r8的一端与运放器u1a的反向输入端连接，电阻r8的另一端与运放器u1a的输出端连接，其中运放器u1a的输出端通过电阻r7与运放器u1b的反向输入端连接，运放器u1a的输出端还通过电阻r12与乘法器u3的y1信号输入端连接。电流流过rs1生成电压信号，经过运算放大器u1a比例放大后，一路经过r7作为u1b的反向输入端信号，另一路经过r12作为乘法器y1信号输入。
37.进一步，所述电压采样电路2包括电阻r16、电阻r17、电阻r19、电阻r20、运放器u2a，其中电阻r19的一端与功率模块电路4端dc+端连接，电阻r19的另一端与运放器u2a的正向输入端连接，电阻r17的一端与功率模块电路4端dc-端连接，电阻r17的另一端与运放器u2a的反向输入端连接，运放器u2a的输出端与乘法器u3的x1信号输入端连接；运放器u2a的反向输入端通过电阻r16与运放器u2a的输出端；运放器u2a的正向输入端通过电阻r20接地。整体电路将功率模块电路4端dc+/-电压进行比例放大后，并输出x1信号至乘法器u3的x1信号输入端。
38.进一步，温度采样电路3包括热敏电阻ntc1、电阻r21、电阻r22、电阻r25、电阻r26、运放器u4a、运放器u4b、二极管d2，其中热敏电阻ntc1的一端与基准电压连接，热敏电阻ntc1的另一端通过电阻r25接地，且热敏电阻ntc1的另一端还与运放器u4a的正向输入端连接，电阻r22的一端与基准电压连接，电阻r22的另一端通过电阻r26接地，其中电阻r22的另一端还与运放器u4a的反向输入端连接；电阻r21的一端与运放器u4a的反向输入端连接，电阻r21另一端与运放器u4a的输出端连接，其中运放器u4a的输出端与运放器u4b的正向输入端连接，运放器u4b的输出端与二极管d2正极连接，二极管d2的负极与运放器u4b的反向输入端连接，二极管d2的负极与乘法器u3的z信号输入端连接。
39.ntc1、r21、r22、r25、r26、u4、d2组成温度检测电路，r21、r22、r26组成温度限定值分压电路，输入到u4a的反向输入端；ntc1、r25组成温度采样分压电路，输入到u4a的正向输入端，ntc1的温度采样端与功率模块电路4的散热器紧密连接，可以精准检测到散热器的温度变化，并通过分压电路生成相应变化的电压值，u4b输出电压随温度采样值变化而变化，并作为乘法器的z脚信号输入。
40.进一步，乘法器输出电路包括电阻r24、电阻r27、电阻r28、电阻r29、电阻r30、电阻r31、电容c8、运放器u5、二极管d3，乘法器u3的w信号输出端通过电阻r27与运放器u5a的正向输入端连接，运放器u5a的反向输入端通过电阻r31接地，电阻r30的一端与运放器u5a的反向输入端连接，电阻r30另一端与运放器u5a的输出端连接；运放器u5a的输出端通过电阻r28与运放器u5b的反向输入端连接，且电阻r24与运放器u5b的正向输入端连接，运放器u5b的输出端与二极管d3负极连接，其中电阻r29的一端与运放器u5b的反向输入端，电阻r29的
另一端通过电容c8与二极管d3正极连接，且二极管d3正极与v_iset信号输入端连接。
41.r24、r27、r28、r29、r30、r31、c8、u5、d3组成乘法器输出电路，乘法器u3输出信号经过u5a比例放大后与r24电阻分压电压作为u5b的输入进行误差比较放大，通过d3对v_iset信号进行钳位，改变v_iset电压幅值，进而改变功率模块电路4的设定电流。
42.进一步，电阻r24为可调电位器。电阻r24为可调电位器，可调节预设功率限制值，也可以使用高精度dac代替电阻分压作为u5b正向输入端信号源，实现实时调节功率限制值的功能。
43.进一步，乘法器输出电路还包括电阻r15、电阻r18，其中电阻r15与乘法器u3的x2信号输入端连接，电阻r18与乘法器u3的y2信号输入端连接。进一步，电阻r15、电阻r18均为可调电位器。r15、r18为可调电位器，组成电压、电流采样的失调电压校准电路，通过调节电位器，消除x1、y1脚的失调电压影响，提高预设功率限定值的精度。
44.整体操作：当功率模块电路4的功率低于预设功率限定值，u5b反向输入端电压小于正向端电压，u5b输出端电压为vcc（假设运放输出幅值vo范围为vss≤vo≤vcc）》》v_iset，此时功率限制电路对功率模块电路4无任何影响；当功率模块电路4的功率超过预设功率限定值时，u5b反向输入端电压大于正向端电压，u5b输出端电压值降低，对v_iset电压进行钳位，拉低功率模块电路4电流，实现功率限制功能。
45.当散热器温度低于预设温度阀值时，u4b输出电压为vss，乘法器z信号输入端电压为0，当散热器温度超过预设温度阀值后，u4b输出增大，随之乘法器z信号输入端电压增大，w信号输出端电压也跟随增大，当电压增大到u5b反向输入端电压大于正向端电压后，u5b输出端电压值降低，对v_iset电压进行钳位，进而降低功率模块电路4带载电流，实现温度对功率限制的调控功能。
46.以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。