CN107817393B - 电子负载并机系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电子负载并机系统及方法，属于功率电子测试的技术领域。系统包括主机以及多个从机，主机主机根据电流设定值对主功率模块吸入待测物的电流采样值进行校正以控制主功率模块，并依据电流设定值实时输出包含但不限于驱动信号和带载同步信号的并机信号，从机接收主机输出的并机信号并解析出电流设定值，根据解析出的电流设定值对从功率模块吸入待测物的电流采样值进行校正以控制从功率模块。方法为：主机对电流设定值进行标定得到表征并机信号的模拟电压，从机对主机发送的表征并机信号的模拟电压进行标定以确定电流设定值，组合主机标定系数和从机标定系数以使主从机的带载电流一致。本发明能够实现更多从机的并联进而增大扩展功率。

Description

电子负载并机系统及方法

技术领域

本发明公开了电子负载并机系统及方法，属于功率电子测试技术领域。

背景技术

电子负载可以模拟真实环境中的负载，比如用电器，是用电子器件实现的“负载”功能，具体地说，电子负载是通过控制内部功率器件MOSFET或晶体管的导通量，使功率管耗散功率，消耗电能的设备。广泛应用于LED驱动、电源模块测试、充电器生产及UPS生产等领域。

目前，电子负载仅在单机中实现了定电压、定电流、定电阻、定功率的工作模式，随着市场对电子负载大功率需求的增长，需要多个电子负载并机来共同分配功率。现有的负载并机方案如图1所示，将从机的功率模组并联到主机的功率模组上，主机包含采样电阻、功率模组和误差放大器，从机只包含功率模组，主从机采样的电流都汇总到主机的采样电阻上，从机的功率模组驱动信号完全由主机给出，即，从机完全依赖于主机工作。图1所示并机方式存在以下缺陷：(1)从机完全依赖于主机工作，从机只相当于功率模组的扩展，不具备单独工作的能力；(2)该并机系统中电流流向较为混乱，不利于负载稳定；(3)受制于这种并机方式，系统稳定性随着扩展的从机数量增多变差，功率扩展能力有限。

发明内容

本发明的针对上述背景技术的不足，提供了电子负载并机系统及方法，从机通过解析主机发出的并机信号，既能实现与主机的带载同步，也能不完全依赖于主机工作，实现了电子负载的并机，解决了现有并机方案中从机不具备单独工作能力且功率扩展能力有限的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

电子负载并机系统，包括：主机及多个从机，主机包含吸收待测物功率的主功率模块，从机包含吸收待测物功率的从功率模块，

主机根据电流设定值对主功率模块吸入待测物的电流采样值进行校正以控制主功率模块，并依据电流设定值实时输出包含但不限于驱动信号和带载同步信号的并机信号，

从机接收主机输出的并机信号并解析出电流设定值，根据解析出的电流设定值对从功率模块吸入待测物的电流采样值进行校正以控制从功率模块。

进一步的，所述电子负载并机系统中，电流设定值为主机定电流工作时的设定值，或者，主机定电压/定电阻/定功率工作时设定值的电流等效值。

作为所述电子负载并机系统的进一步优化方案，主机还包括：

主误差放大器，其同相输入端接电流设定值，其反相输入端接主功率模块吸入待测物的电流采样值，根据电流设定值确定主机静态拉载的模拟电压，并根据电流设定值对主功率模块吸入待测物的电流采样值校正以确定主机动态拉载的模拟电压，输出加载在主功率模块上的模拟电压。

再进一步的，所述的电子负载并机系统中的主误差放大器包括：

减法器，其一输入端接电流设定值，另一输入端接主功率模块吸入待测物的电流采样值，对电流设定值和主功率模块吸入待测物的电流采样值做差后输出主电流修正值；

PID，其输入端接减法器输出端，对主电流修正值进行PID调节后输出PID调节值；及，

动态DAC，其输入端接PID的输出端，对PID调节值进行数模转换得到主机动态拉载的模拟电压；

静态DAC，对其输入端的电流设定值进行数模转换得到主机静态拉载的模拟电压；

加法器，一个输入端接静态DAC的输出端，另一输入端接动态DAC的输出端，对主机静态拉载的模拟电压和主机动态拉载的模拟电压进行合成后输出加载在主功率模块上的模拟电压。

作为所述电子负载并机系统的进一步优化方案，从机包括：

模数转换器，其输入端接并机信号，对并机信号进行解析后输出电流设定值；

从误差放大器，其同相输入端接电流设定值，其反相输入端接从功率模块吸入待测物的电流采样值，根据电流设定值确定从机静态拉载的模拟电压，并根据电流设定值对从功率模块吸入待测物的电流采样值校正以确定从机动态拉载的模拟电压，输出加载在从功率模块上的模拟电压。

再进一步的，所述电子负载并机系统中的从机包括：

模数转换器，其输入端接主机静态拉载的模拟电压，将所述主机静态拉载的模拟电压模数转换为电流设定值；

从误差放大器，其同相输入端接电流设定值，其反相输入端接从功率模块吸入待测物的电流采样值，根据电流设定值确定从机静态拉载的模拟电压，并根据电流设定值对从功率模块吸入待测物的电流采样值校正以确定从机动态拉载的模拟电压，输出加载在从功率模块上的模拟电压。

电子负载并机方法，采用所述电子负载并机系统实现，系统处于定电流工作模式时，并机方法具体为：

主机对电流设定值进行标定得到表征并机信号的模拟电压：

Volt1＝Is×Mx1+Mb1，

从机对主机发送的表征并机信号的模拟电压进行标定以确定电流设定值：

Volt1＝ADC_Code×Mx2+Mb2，

组合主机标定系数和从机标定系数以使主机带载电流和从机带载电流一致：

其中，Volt1为表征并机信号的模拟电压，Is为电流设定值，Mx1、Mb1分别为主机标定的比例系数和偏置系数，ADC_Code为从机检测表征并机信号模拟电压得到的码值，Mx2、Mb2分别为从机标定的比例系数和偏置系数，Mx、Mb分别为比例系数组合值和偏置系数组合值。

电子负载并机方法，采用所述电子负载并机系统实现，系统处于定电压工作模式时，并机方法具体为：

采用电压转电流回路将电压设定值转换为电流设定值，

主机对电流设定值进行标定得到表征并机信号的模拟电压：

Volt1＝Is×Mx1+Mb1，

从机对主机发送的表征并机信号的模拟电压进行标定以确定电流设定值：

Volt1＝ADC_Code×Mx2+Mb2，

组合主机标定系数和从机标定系数以使主机带载电流和从机带载电流一致：

其中，Volt1为表征并机信号的模拟电压，Is为电流设定值，Mx1、Mb1分别为主机标定的比例系数和偏置系数，ADC_Code为从机检测表征并机信号模拟电压得到的码值，Mx2、Mb2分别为从机标定的比例系数和偏置系数，Mx、Mb分别为比例系数组合值和偏置系数组合值。

电子负载并机方法，采用所述电子负载并机系统实现，系统处于定电阻工作模式时，并机方法具体为：

根据电阻设定值与主机实时采样电压的关系将电阻设定值转换为电流设定值，

主机对电流设定值进行标定得到表征并机信号的模拟电压：

Volt1＝Is×Mx1+Mb1，

从机对主机发送的表征并机信号的模拟电压进行标定以确定电流设定值：

Volt1＝ADC_Code×Mx2+Mb2，

组合主机标定系数和从机标定系数以使主机带载电流和从机带载电流一致：

其中，Volt1为表征并机信号的模拟电压，Is为电流设定值，Mx1、Mb1分别为主机标定的比例系数和偏置系数，ADC_Code为从机检测表征并机信号模拟电压得到的码值，Mx2、Mb2分别为从机标定的比例系数和偏置系数，Mx、Mb分别为比例系数组合值和偏置系数组合值。

电子负载并机方法，采用所述电子负载并机系统实现，系统处于定功率工作模式时，并机方法具体为：

根据功率设定值与主机实时采样电压的关系将功率设定值转换为电流设定值，

主机对电流设定值进行标定得到表征并机信号的模拟电压：

Volt1＝Is×Mx1+Mb1，

从机对主机发送的表征并机信号的模拟电压进行标定以确定电流设定值：

Volt1＝ADC_Code×Mx2+Mb2，

组合主机标定系数和从机标定系数以使主机带载电流和从机带载电流一致：

其中，Volt1为表征并机信号的模拟电压，Is为电流设定值，Mx1、Mb1分别为主机标定的比例系数和偏置系数，ADC_Code为从机检测表征并机信号模拟电压得到的码值，Mx2、Mb2分别为从机标定的比例系数和偏置系数，Mx、Mb分别为比例系数组合值和偏置系数组合值。

更进一步的，所述电子负载并机系统中，并机信号通过CAN传输至各从机。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)并机系统中的从机有属于自己的电压电流采样电路及误差环，从机功率模组不直接受控于主机，因此从机能够独立于主机工作，并机系统中不存在信号相互串扰的现象，这样有利于整个系统控制环路的稳定，可以实现更多从机的并联，增大扩展功率；

(2)并机方法包含对应于系统不同工作模式下的并机方式，主机根据电流设定值生成并机信号并对电流设定值进行标定得到并机信号，从机实时采集并机信号并对其标定能够解析出近似于主机电流设定值的信号，组合主机标定系数和从机标定系数以使主从机带载电流一致，保证了主从机之间电流均衡，为电子负载并机提出了一种简单可行的方案。

附图说明

图1为现有并机方式的框图。

图2为本发明并机方式的框图。

图3为本发明涉及的电子负载并机系统。

图4为定流模式并机扩流时主机的框图。

图5为定流模式并机扩流时从机的框图。

图6为定功率/定电阻模式并机扩流时主机的框图。

图7为定电压并机扩流时主机的框图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明的电子负载并机系统如图3所示，电子负载系统测试待测物，待测物可以是电源、电池、供电系统等，电子负载系统包括主机和多个从机。结合图4至图7，主机根据电流设定值对主机吸入电流进行校正以控制主功率模块吸收待测物上的功率，并依据电流设定值实时输出包含但不限于驱动信号和带载同步信号的并机信号。从机从接收的并机信号中解析出电流设定值，根据电流设定值对从机吸入电流进行校正以控制从功率模块吸收待测物上的功率。并机信号包含通过CAN传输的Analog驱动信号、ON/OFF信号。ON/OFF信号用于主机和从机的带载同步。Analog驱动信号通过CAN从主机传送至从机，该驱动信号包含了主机电流设定值的信息，从机通过解读该信号就可以实时地得到电流设定值。电流设定值为主机定电流工作时的设定值，或者，主机定电压/定电阻/定功率工作时设定值的电流等效值。

本电子负载并机系统从机不必完全依赖主机，如图2所示，为从机设计了自己的电压电流采样电路和误差环，主机有检测其主功率模组吸入电流的采样电阻RS，从机有检测其从功率模组吸入电流的采样电阻RS_N。为了保证整个并机系统的正常工作，从机需要实时获取主机的电流设定值，考虑到RS232、485、CAN等通信方式的速率在负载动态快速拉载时明显不够的缺陷，本发明采用DAC将电流设定值转换为主机静态拉载的模拟电压，从机通过ADC采样并解析DAC输出的主机静态拉载的模拟电压值可以近似于实时解析电流设定值，可以保证主从机之间电流均衡，因而主从机能够形如单机地同时运作。

电子负载并机系统的工作模式可以为以下几种工作模式：定电压(CV)/定电流(CC)/定电阻(CR)/定功率(CP)。在上述几种模式下，主机分别是定电压/定电流/定电阻/定功率模式、从机是定电流模式。当电子负载并机系统的主机和多个从机设置在同一个电子负载机架内构成一个整机时，形如单个电子负载。

定电流模式下的电子负载并机方式

CC模式下主机框图如图2和图4所示，包括：主误差放大器、主功率模块和主机采样电路。主机采样电路先通过采样电阻RS检测主功率模块吸入电流，再通过ADC将主功率模块吸入电流的模拟值转换为数字值，进而获得主功率模块吸入待测物电流的采样值。主误差放大器根据电流设定值确定主机静态拉载的模拟电压，并根据电流设定值对主功率模块吸入待测物的电流采样值校正以确定主机动态拉载的模拟电压，输出加载在主功率模块上的模拟电压；主误差放大器具体包括：减法器、PID、动态DAC、静态DAC、加法器。减法器的一输入端接电流设定值，减法器的另一输入端接主功率模块吸入待测物电流的采样值，PID的输入端接减法器输出端，动态DAC的输入端接PID的输出端，静态DAC输入端接电流设定值，加法器的一个输入端接静态DAC的输出端，加法器的另一输入端接动态DAC的输出端。减法器对电流设定值和主功率模块吸入待测物电流的采样值做差后输出主电流修正值，PID对主电流修正值进行PID调节后输出PID调节值，动态DAC对PID调节值进行数模转换得到主机动态拉载的模拟电压，静态DAC对电流设定值进行数模转换得到主机静态拉载的模拟电压，加法器对主机静态拉载的模拟电压和主机动态拉载的模拟电压进行合成后输出加载在主功率模块上的模拟电压，控制主功率模块吸收待测物功率。

CC模式下从机框图如图2和图5所示，包括：模数转换器、从误差放大器、从功率模块和从机采样电路。模数转换器的输入端接并机信号，从误差放大器的同相输入端接电流设定值，从误差放大器的反相输入端接从功率模块吸入待测物的电流采样值。从机采样电路的输入端接从功率模块的输出端，先通过采样电阻RS_N采集从功率模块吸入电流，再通过ADC将从功率模块吸入电流的模拟值转换为数字值，进而获得从功率模块吸入待测物的电流采样值。模数转换器对并机信号进行解析后输出电流设定值，从误差放大器根据电流设定值确定从机静态拉载的模拟电压，并根据电流设定值对从功率模块吸入待测物的电流采样值校正以确定从机动态拉载的模拟电压，输出加载在从功率模块上的模拟电压，控制从功率模块吸收待测物的功率。

电流设定值为Is，则主机发送给从机的表征并机信号的模拟量Volt1：

Volt1＝Is×Mx1+Mb1 ①

同时，从机通过ADC采样主机发送过来的表征并机信号的模拟量Volt1：

Volt1＝ADC_Code×Mx2+Mb2 ②

联立①②两式，可知：

Is×Mx1+Mb1＝ADC_Code×Mx2+Mb2，

即，

令

可得：

则通过计算Mx和Mb，从机就可以实时地运算出主机设定的电流值Is，，Mx1、Mb1分别为主机标定的比例系数和偏置系数，ADC_Code为从机检测表征并机信号模拟电压得到的码值，Mx2、Mb2分别为从机标定的比例系数和偏置系数，Mx、Mb分别为比例系数组合值和偏置系数组合值。

并机时，主机通过CAN网络将标定好的比例系数Mx1和偏置系数Mb1发送给每一个从机，从机通过组合主机的系数和本机标定好的比例系数Mx2和偏置系数Mb2得到比例系数组合值Mx和偏置系数组合值Mb。可见，从机通过高速的ADC可以近似于实时地得到主机的设定电流值，从而使从机带载与主机相同的电流值，最终实现CC模式的并机扩流。

定功率/定电阻模式下的电子负载并机方式

如图6所示，首先在图4主机框架中加入根据主机电压采样值将定电阻/定功率转换为电流设定值的计算单元。系统定电阻工作模下：主机根据电阻设定值与主机实时采样电压的关系将电阻设定值转换为电流设定值，然后参照系统定电流模式下的并机方式，实现多个负载并联。系统定功率工作模式下：主机根据功率设定值与主机实时采样电压的关系将功率设定值转换为电流设定值，然后参照系统定电流模式下的并机方式，实现多个负载并联。

主机实时采样电压是通过采样待测物加载在电子负载输入端的电压或者待测物输出端的电压获得的。主机的采样电流是通过主机采样电阻RS获得的，从机的采样电流是通过从机采样电阻RS_N获得的。

定电压模式下的电子负载并机方式

如图7所示，首先在图4主机框架中加入根据主机电压采样值将定电压转换为电流设定值的电压转电流回路。主机采用电压转电流回路将电压设定值转换为电流设定值，然后参照系统定电流模式下的并机方式，实现多个负载并联。

Claims (11)

1.电子负载并机方法，采用包括主机及多个从机的电子负载并机系统实现，

其特征在于，系统处于定电流工作模式时，并机方法具体为：

主机对电流设定值进行标定得到表征并机信号的模拟电压：Volt1＝Is×Mx1+Mb1，

从机对主机发送的表征并机信号的模拟电压进行标定以确定电流设定值：Volt1＝ADC_Code×Mx2+Mb2，

组合主机标定系数和从机标定系数以使主机带载电流和从机带载电流一致：

其中，Volt1为表征并机信号的模拟电压，Is为电流设定值，Mx1、Mb1分别为主机标定的比例系数和偏置系数，ADC_Code为从机检测表征并机信号模拟电压得到的码值，Mx2、Mb2分别为从机标定的比例系数和偏置系数，Mx、Mb分别为比例系数组合值和偏置系数组合值。

2.根据权利要求1所述的电子负载并机方法，其特征在于，主机包含吸收待测物功率的主功率模块，从机包含吸收待测物功率的从功率模块，

主机根据电流设定值对主功率模块吸入待测物的电流采样值进行校正以控制主功率模块，并依据电流设定值实时输出包含但不限于驱动信号和带载同步信号的并机信号，

从机接收主机输出的并机信号并解析出电流设定值，根据解析出的电流设定值对从功率模块吸入待测物的电流采样值进行校正以控制从功率模块；

3.根据权利要求2所述的电子负载并机方法，其特征在于，所述电流设定值为主机定电流工作时的设定值，或者，主机定电压/定电阻/定功率工作时设定值的电流等效值。

4.根据权利要求2或3所述的电子负载并机方法，其特征在于，所述主机还包括：

主误差放大器，其同相输入端接电流设定值，其反相输入端接主功率模块吸入待测物的电流采样值，根据电流设定值确定主机静态拉载的模拟电压，并根据电流设定值对主功率模块吸入待测物的电流采样值校正以确定主机动态拉载的模拟电压，输出加载在主功率模块上的模拟电压。

5.根据权利要求4所述的电子负载并机方法，其特征在于，所述主误差放大器包括：

减法器，其一输入端接电流设定值，另一输入端接主功率模块吸入待测物的电流采样值，对电流设定值和主功率模块吸入待测物的电流采样值做差后输出主电流修正值；

PID，其输入端接减法器输出端，对主电流修正值进行PID调节后输出PID调节值；及，

动态DAC，其输入端接PID的输出端，对PID调节值进行数模转换得到主机动态拉载的模拟电压；

静态DAC，对其输入端的电流设定值进行数模转换得到主机静态拉载的模拟电压；

加法器，一个输入端接静态DAC的输出端，另一输入端接动态DAC的输出端，对主机静态拉载的模拟电压和主机动态拉载的模拟电压进行合成后输出加载在主功率模块上的模拟电压。

6.根据权利要求2或3所述的电子负载并机方法，其特征在于，所述从机包括：

模数转换器，其输入端接并机信号，对并机信号进行解析后输出电流设定值；

从误差放大器，其同相输入端接电流设定值，其反相输入端接从功率模块吸入待测物的电流采样值，根据电流设定值确定从机静态拉载的模拟电压，并根据电流设定值对从功率模块吸入待测物的电流采样值校正以确定从机动态拉载的模拟电压，输出加载在从功率模块上的模拟电压。

7.根据权利要求4所述的电子负载并机方法，其特征在于，所述从机包括：

模数转换器，其输入端接主机静态拉载的模拟电压，将所述主机静态拉载的模拟电压模数转换为电流设定值；

从误差放大器，其同相输入端接电流设定值，其反相输入端接从功率模块吸入待测物的电流采样值，根据电流设定值确定从机静态拉载的模拟电压，并根据电流设定值对从功率模块吸入待测物的电流采样值校正以确定从机动态拉载的模拟电压，输出加载在从功率模块上的模拟电压。

8.根据权利要求2所述的电子负载并机方法，其特征在于，所述并机信号通过CAN传输至各从机。

9.电子负载并机方法，采用包括主机及多个从机的电子负载并机系统实现，

其特征在于，系统处于定电压工作模式时，并机方法具体为：

采用电压转电流回路将电压设定值转换为电流设定值，

主机对电流设定值进行标定得到表征并机信号的模拟电压：Volt1＝Is×Mx1+Mb1，

从机对主机发送的表征并机信号的模拟电压进行标定以确定电流设定值：Volt1＝ADC_Code×Mx2+Mb2，

组合主机标定系数和从机标定系数以使主机带载电流和从机带载电流一致：

其中，Volt1为表征并机信号的模拟电压，Is为电流设定值，Mx1、Mb1分别为主机标定的比例系数和偏置系数，ADC_Code为从机检测表征并机信号模拟电压得到的码值，Mx2、Mb2分别为从机标定的比例系数和偏置系数，Mx、Mb分别为比例系数组合值和偏置系数组合值。

10.电子负载并机方法，采用包括主机及多个从机的电子负载并机系统实现，

其特征在于，系统处于定电阻工作模式时，并机方法具体为：

根据电阻设定值与主机实时采样电压的关系将电阻设定值转换为电流设定值，

主机对电流设定值进行标定得到表征并机信号的模拟电压：Volt1＝Is×Mx1+Mb1，

从机对主机发送的表征并机信号的模拟电压进行标定以确定电流设定值：Volt1＝ADC_Code×Mx2+Mb2，

组合主机标定系数和从机标定系数以使主机带载电流和从机带载电流一致：

其中，Volt1为表征并机信号的模拟电压，Is为电流设定值，Mx1、Mb1分别为主机标定的比例系数和偏置系数，ADC_Code为从机检测表征并机信号模拟电压得到的码值，Mx2、Mb2分别为从机标定的比例系数和偏置系数，Mx、Mb分别为比例系数组合值和偏置系数组合值。

11.电子负载并机方法，采用包括主机及多个从机的电子负载并机系统实现，

其特征在于，系统处于定功率工作模式时，并机方法具体为：

根据功率设定值与主机实时采样电压的关系将功率设定值转换为电流设定值，

主机对电流设定值进行标定得到表征并机信号的模拟电压：Volt1＝Is×Mx1+Mb1，

从机对主机发送的表征并机信号的模拟电压进行标定以确定电流设定值：Volt1＝ADC_Code×Mx2+Mb2，

组合主机标定系数和从机标定系数以使主机带载电流和从机带载电流一致：

其中，Volt1为表征并机信号的模拟电压，Is为电流设定值，Mx1、Mb1分别为主机标定的比例系数和偏置系数，ADC_Code为从机检测表征并机信号模拟电压得到的码值，Mx2、Mb2分别为从机标定的比例系数和偏置系数，Mx、Mb分别为比例系数组合值和偏置系数组合值。

Images