直流电子负载在直流电源校准中的应用
1引言
在直流电源的校准中，使用直流电子负载替代笨重而不便于调节的“绕线式”变阻器，将会显著的提高工作效率。本文以欧万电子公司的9711型直流电子负载为例，首先简要介绍了直流电子负载的四种工作模式和应用，而后着重论述了其在直流电源校准中的应用。
2直流电子负载的工作模式及应用
直流电子负载具有恒流、恒压、恒阻、恒功率、动态等工作模式;可用于蓄电池、不间断电源(UPS)、充电器及AC/DC变换器、互感器、整流器、变压器及电感、电容等元件的测试。以下是直流电子负载常具有的四种工作模式。
2.1恒流模式(ConstantCurrentMode)
该模式下，在额定输入电压及额定功率范围内，无论输入电压如何变化，设定的恒流值始终不变。如图1所示。
恒流模式可用来做直流稳压电源及直流变换器的老化试验及测试它们的负载效应，还可测试电池的放电特性、二次电池的充电特性等。
2.2恒压模式(ConstantVoltageMode)
该模式下，在额定输入电压及额定功率范围内，无论输入电流如何变化，设定的恒压值始终不变。如图2所示。
恒压模式下，电子负载吸收被测件的电流，而被测件的输出电压不变;利用电子负载的这个特性，可测试恒流源、电池、电池充电器等设备的性能。
2.3恒阻模式(ConstantResistanceMode)
此模式下，在额定输入电压及额定功率范围内，电子负载模拟纯电阻负载，其输入的电压与吸收的电流呈线性关系。如图3所示。
恒阻模式可用来测试电压源、电流源的启动与限流特性。
2.4动态模式(DynamicMode)
动态模式下，两路负载电流IA与IB按照设定值、持续时间及上升率、下降率，呈周期性变化。如图4所示。
动态模式可用来测试直流稳压电源或直流变换器的负载瞬态响应。
3直流电子负载在直流电源校准中的应用
直流稳压电源的通常校准指标有：源效应、负载效应、纹波电压、电压及电流表的示值误差;而用于通信产品测试的直流电源，其负载瞬态响应指标的校准也很重要。
3.1源效应的校准
按图5所示接线。
开启直流电子负载，设置为恒流工作模式，使设定的恒流数值等于电源的额定电流值;开启稳压电源，使其输出为额定电压，电流旋钮旋至最大电流位置;加载(按下电子负载前面板的Load按键)，由数字表读取电源输出电压值：
调压器调至220V，读值，记为U0;
调压器调至242V，读值，记为U1;
调压器调至198V，读值，记为U2。
由下式计算源效应：
或3.2负载效应的校准
如图5所示。电子负载仍设为恒流模式，使电源输出额定电压。
设定电子负载的恒流值为额定电流值，加载后，读取电源的满载电压值，记为Um;
设定电子负载的恒流值为零，或断开电子负载输入，读取电源的空载电压值，记为Un;
由下式计算负载效应：
3.3纹波电压的校准
如图5所示，使电源满载工作。将数字多用表切换至交流电压档，所读数值即为纹波电压有效值，如需读取峰-峰值，可将数字多用表换接为示波器或峰值电压表。
在校准纹波电压时，考虑到直流电子负载为有源负载，可能会对校准结果造成影响;因此在使用电子负载校准某型电源的纹波之前，可先做一对比验证。
某型线性直流稳压电源(30V，20A)分别带不同负载，其校准结果如表一所示。
表一两种负载下的纹波
负载形式纹波电压
直流电子负载0.56mVrms
纯电阻负载0.54mVrms
由比较结果看出：9711型直流电子负载对校准结果(纹波电压)的影响可以忽略不计。
3.4电压及电流示值误差的校准
在电压示值校准中，可由数字表读值;也可在其空载情况下，直接由电子负载读值。而电流的校准，是通过调节电子负载的恒流旋钮，使电源电流输出至校准点，由电子负载直接读值。
3.5负载瞬态响应的校准
3.5.1负载瞬态响应的定义
当稳压电源的负载电流发生阶跃性快变时，其输出电压必然有一个波动，而其从波动峰值恢复到允许误差带(U-ΔU，U+ΔU)内需要一个时间Δt，如图6所示。
由图5可看出，可用三个参数做为负载瞬态响应的考核指标：
1)允许误差带：允许偏离输出电压的误差范围，用(U+ΔU，U-ΔU)表示;
2)恢复时间：从阶跃开始，输出电压恢复到允许误差带的时间，用Δt表示;若输出电压多次振荡反复超过允许误差带，以最终进入允许误差带的时间为准;
3)波动峰值：输出电压波动的最大幅值，包括正峰值和负峰值。
3.5.2负载瞬态响应的校准方法
下面以某型直流电源为例，说明负载瞬态响应的校准方法，按图7所示接线。
1)直流稳压电源与直流电子负载之间串接标准电阻，通过测量标准电阻两端电压来测量电流。
2)示波器带宽至少为20MHz，两通道输入阻抗均设为1MΩ，耦合方式为DC。CH2通道接电源输出端;CH1通道接标准电阻的电压端。
3)直流电子负载设为动态工作模式，设置负载的上升率(riseslewrate)及下降率(fallslewrate)，使阶跃电流的上升及下降时间至少比直流电源的恢复时间快10倍(即T≥10Δt)，而电流持续时间应大于5Δt。
直流电子负载在动态模式下工作，其参数设置如下
1)设置高电流为10A,低电流为1A;
2)每周期高电流保持时间为5ms，低电流为100ms;
3)上升率及下降率均设为2.5A/µs
校准结果如表二所示。
表二某型电源负载瞬态响应的校准结果
允许误差带恢复时间正波动峰值负波动峰值
9.80V～10.20V40µs10.41V9.47V
图8是负载电流发生阶跃快变后，电流及电压的实测波形图。C2为电流波形，C1为电压波形。
图9是电流由低至高阶跃瞬间，电流及电压波动的细节。由图可见，电流突增瞬间，电压突降，并产生衰减振荡。
3.6校准中注意事项
1)在负载效应的校准中，若由电子负载读取输出电压值，为避免导线上产生压降，应将电子负载的检测端(Vsens)接至稳压电源的输出端。
2)使用电子负载校准电压及电流示值误差之前，要确定直流电子负载的回读误差不大于被检表(直流电源本身的电压电流表)误差极限的1/3～1/5。
3)直流电子负载的正负输入端不能接反，确定输入电压小于电子负载的额定电压值;
4)电子负载吸收的功率应小于额定功率值，即P=UI≤额定功率。例如额定功率为300W的直流电子负载，如果恒流值I设为10A，那么输入电压需小于30V，即要求P=UI≤300W.而在实际的校准中，尽管U、I之积小于额定功率，但是在加载的一瞬间，直流电源可能会产生较大的“过冲”电流，致使当前输入的功率超过额定值，电子负载自动保护。
4结束语
随着社会的发展、科技的进步，更多价格低廉、性能卓越的直流电子负载投入使用，这不但提高了工作效率，也满足了更多的校准及测试需求。而由直流电子负载组成的直流电源自动校准系统也是发展的必然趋势，无论是产品的出厂检验还是周期校准都将产生更大的经济效益。