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电子负载的原理与应用
作者:FXTON   发布时间:2019-12-25  来源:FXTON

在一般的系统中,电源(包括电池)能否保持 稳定供电是极其重要的。因此,要花很长的时间进 行电源评测。测试时,让电源连接什么样的负载就 成了一个问题。没有负载,就无法进行电源评测。用实际负载(如电机)进行电源评测也不合理。因 此,为了自动进行电源测试,常使用电子负载。电 子负载的种类很多,有直流电源用、交流电源用、 蓄电池用等。这里,我们将对这些电子负载进行 说明。(编者按)


 电源和负载

在系统开发中,电源的评估很重要

 众所周知,随着电子技术的进步,电子设备的 功能标准也变得复杂,在设计和开发过程中要进行 各种各样的测试。而且,近来不仅要求功能,还要 求低功耗化和高效率化。迄今为止,在看不见的地方供电的电源部分, 它们的作用也变得越来越重要。在系统开发方面, 电源评测也是必须进行的项目。在 EV 等使用电池 驱动的情况下,电源部分的评测非常重要。

电源和负载

为用电部分供电是电源(AC / DC 电源和电池) 的功能。一般来说,与它们相连并接受其供电的部 分被称为负载。如驱动电机的电源,它的负载是电 机;为了点亮照明器具而使用的电源,它的负载就 是照明器具(图 1)。


                                     图一



负载是耗电设备。如果电源不能稳定地向负载供电,系统就无法 正常工作,或出现故障、起火等情况。当然,要避 免使用供电能力过剩的电源。就拿节能 EV 制作来 说,对电源的要求当然是尽量小型化、轻型化和低 成本化。

负载是变动的 

既有几乎稳定不变的负载,也有变化很大的负 载。在图 1 所示的例子中,台灯的负载几乎不怎么 变动,而电机的负载变化很大。如 EV 电机,载重量比较大或者爬陡坡时,电 机的负载就会变大。负载增大,意味着需要更大的 功率。像这样根据电机的用途,判断在什么情况下 会出现很大的负载变化,是很容易的。计算机的负载变化也很大。高精度、高速运算 时,电源负载会变大。其内部数字电路进行着高速 切换,这样就会耗电。现在的计算机中,搭载了可 以观察 CPU 负载变化的监视器,相信许多人都见 过。CPU 负载并不等于电源负载,但在某种程度上 是成比例的。

电源的评测

 如前所述,电源的负载是经常变化的。电源能 否承受这样的负载变化,要评测后才知道。但是, 仅对电源部分进行测试是没有意义的,如果没有负载,电源就无法进行供电,没有电流输出。进行电源测试时,必须准备好负载。如图 1 所示,按照实际用途,实际运行时与电 源连接的对象称为实际负载。进行电源测试时,也 存在实际负载还没制作完成的情况,为电源测试准 备数台同样的实际负载没有意义。于是,与实际负荷对应的就称为模拟负载。对 于电源,就是与实际负载相当的模拟设备。本文介 绍的电子负载,就属于模拟负载的一种。电子负载概要 

为何不使用实际负载,而使用模拟负载?

 前面提过,在电源测试中使用实际负载是没有意 义的。那么,为什么连接实际负载是不可取的呢?·包括电流在内的诸多测试条件是固定的,难 以根据不同条件变更 正如前面所述,实际的负载状态会根据工作条 件发生较大的变化,但改变实际的测试条件是非常 困难的。·不能对测试条件或结果进行定量设定或测量 准备数量充足的具有某种再现性条件的实际负 载,也是不现实的。·因为实际负载的老化,有可能出现不能满足 测试条件的状态 实际负载会发生老化。与一年前相比,实际负 载的当前特性已经发生了变化。这一点是一定要考 虑到的。基于此理由,测试时不使用实际负载,而是使 用作为模拟负载的电阻负载和电子负载。另外,使 用计算机等通信设备控制自动化测试时,使用电子 负载更方便。

电阻负载及其限制

 在某种模式下对作为模拟负载的电阻负载与电 子负载进行比较,得到的结果如图 2 所示。





                                                              图二


电阻负载是指,在(直流)电源上,设置的一 个具有某电阻值的电阻器,根据欧姆定律决定电流 值。如果是负载保持不变的电源,这也许就足够了。但是,实际上几乎不存在负载稳定不变的情形。即使电源是直流电,在实际负载内部也有很多 是依赖交流电工作的。当交流电路中存在电感(线 圈)产生的感应电压时,电流会瞬时发生变化。负 载为电机时,其变化表现得很明显。不能因为是瞬 时变化就忽视,短时间内多次发生也会给电源带来 损害。即使是数字电路,进行多位 / 高精度的高速运 算,工作电流瞬时就会出现相当大的变动。这样, 数字电路高速运行时,与高速模拟交流电路一样会 出现很大的振荡。因此,考虑到这样的负载变化也 非常重要。即使是瞬时变化,我们也想确认电源是否在稳 定供电。电阻负载很难适应这一要求。于是,我们 想到了电子负载。 

 何谓电子负载?

 用一句话来说,电子负载是与被测试电源的输 出端相连,并模拟与该电源连接的负载的性能,以 高效地进行电源性能测试的设备。这里所说的电源 是指直流电源、交流电源,或者电池,以及太阳能 电池和发电机等可以供电的所有电压源。使用电子负载,可以很快将电源输出电流设定 为任意值。与电阻负载等不同,电子负载可以产生 与实际负载工作状态相同的变动的电流。可以应对 各种各样的测试(图 3)。电子负载的种类 正如图 3 所示,即使是电子负载,也要根据与 其连接的电源,分别准备直流 / 交流两种类型。




                                      图三


实 际上,根据电源种类的不同,存在多种电子负载, 如恒定电流电子负载,恒定电压电子负载等。


直流电子负载

 输出直流的开关电源和电池等的测试使用的电子负 载,有设定电流值的恒定电流模式,也有可以设定电阻 值的恒定电阻模式等。它们一般都具有多种设定模式。 

(1)恒定电流模式:电压变化,但电流恒定不变 当电子负载的端子电压发生变化时,电流也以 恒定值输出,如图 4(a)所示。这种模拟负载模 式,在开关电源等电源的测试中被广泛使用。 




                                                               图四


(2)恒定电阻模式:输出与电压成比例的电流 与实际电阻一样,输出与负载端子电压成比例 的电流,如图 4(b)所示。因为具有与电阻器同样 的特性,所以适用于模拟一般的负载。另外,实际设定的并不是电阻值,而是电阻值 的倒数 S(西门子)。

 (3)恒定电压模式:保持恒定电压的电流输出 保持电源侧的输出电压恒定,控制负载电流变 化,如图 4(c)所示。它适用于充电电池等的充电 器的测试。 

(4)恒定功率模式:保持恒定功率的电流输出 保持电子负载的消耗功率恒定,控制负载电流 变化,如图 4(d)所示。


交流电子负载

 直流电子负载不能在交流电源中使用

 交流电子负载是与直流电子负载相对的,用于 交流电源和发电机等的测试。不言而喻,交流与直 流不同。在一定的周期内,交流电的电流方向(极 性)会发生改变,直流电子负载是不适用的。从市电(50/60Hz),到飞机等使用的 400 Hz 电 力的电源测试中,都可以使用交流电子负载,而直 流电子负载不具备这样的功能。 

相位偏移的设定

 交流的情况下,与电源连接的实际负载的种类 不同,会受到图 5 所示的电流波形的影响。



                                                                          图五



我们在高中物理中学过,如果连接的是电机等感 性负载(线圈 / 电感类),电流相位滞后于电压;如果 连接的是电容器等容性负载,这样的相位偏移会造成 功率因数(PF)下降。因此,使用交流电子负载来实 施这类电源的测试时,要设定电流相位超前或滞后。在交流电子负载中,也有能够设定功率因数的 类型,通过设定功率因数的增大或减小,可以进行 电流相位超前或滞后的设定。 

峰值因数的设定 

另外,交流用电子负载特有的功能是电流峰值 因数(CF)设定(图 6)。




                                                   图六


CF 是 Crest Factor 的缩 写,是峰值和有效值的比值:峰值因数 

CF = 峰值 ÷ 有效值

 如果是直流,峰值因数为 1。如果是正弦波, 峰值因数为 1.41。所谓的感性负载,是感性阻抗>容性阻抗的负 载。容性负载是容性阻抗>感性阻抗的负载。 


高速响应电子负载

 向包括计算机在内的内置 CPU 的设备供电的电 源(POL 转换器 a 等),要承受伴随 CPU 等高速运行而上下急剧变化的电流。在测试这类电源时,需 使用能快速改变电流的负载。在这种情况下,电阻负载和通用电子负载很难 高速地改变电流,要使用高速响应电子负载。另外,高速器件的工作电压连年低压化,要使 用 0.8 V 等低电压就能运行的低压电子负载。负载电流高速变化时,不仅要考虑静态电压下 降,也要考虑动态电压下降(图 7)。




                                                                  图七


这是因为,伴 随电流突变产生的负载电缆的电感,也是不能忽视 的。这就需要使用最短的低电感电缆。

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