致谢

本设计的灵感来源于EEVblog上的帖子：链接

原理图原型来源于Jay_Diddy_B的设计。

 

简介

动态负载可用于产生（消耗）受控的快速变化的电流，在电源的控制环路中产生干扰。对阶跃负载变化的响应给出了电源稳定性裕度的指示。相比使用环路测试仪产生伯德图，动态负载使用起来非常简单快捷，造价也低得多。

下图大致描述了瞬态响应与输出相位裕度的关系（来源：油管）

本设计选用廉价元器件设计一款电子负载，使用旋钮可以设置阶跃电流和稳定电流大小，或使用外部信号控制任意波形，可用于电源测试、老化、电池放电等。并具有自动风扇控制和过温度保护等附加供能。

各功能均已实测，工作正常。

 

参数和使用说明

如果不使用云母片绝缘（推荐不使用以达到最佳散热效果）散热器将连接到待测电源正极，谨防短路！

 

输入电压范围：36V max（受限于输入端TVS:D3）

最大电流：12A

最大耗散功率：120W

阶跃电流大小：6A

 

使用时首先插入Type-C电源来提供工作电源（需要手动测量是否成功获取12V电压），蓝色LED是工作电源指示灯。在XT30插头处接入待测电源，推荐使用短而粗的线，或至少把正负极线绞起来以减少寄生电感。绿色LED是待测电源接入指示。先调节左侧电位器旋钮来设置恒定电流，再视情况而调节右侧电位器旋钮来设置阶跃电流大小。BNC接头中间的排针和跳线帽可以设置使用内部电流设定或使用左侧BNC接头输入电压来设置任意波形的电流，比例为100mV/A。右侧BNC接头输出实际电流检测值，比例为1V/A。当散热器温度上升到一定程度时散热风扇会自行启动，当温度继续上升到触发过温度保护时红色LED会亮起，负载停止工作，待温度降低后会自动恢复工作。

 

 

 

设计原理

以下简介原理图中各框图功能和实现原理

• Power stage：主功率级。N-MOS IRF250N工作在线性区充当可调电阻，流经采样电阻的电压经INA180A1放大20倍后送入误差放大器U1控制栅极，实现负反馈稳定电流。控制CUR_SET处电压即可控制恒流大小。调整C1、C3可设置系统带宽。

 

• Total current sense：总电流检测。流入的电流经过CC6920霍尔效应电流传感器被转换为带2.5V固定偏置的电压，再经U9.2构成的差分放大器放大5倍并消除偏置电压，输出1V/A，可由示波器或电压表读取电流值。

 

• NTC temp sensor：散热器温度传感器。5V电压经NTC和R27分压后送入跟随器U9.4降低输出阻抗以避免后继滞回比较器输入阻抗的影响。

 

• Auto fan control&OVP：自动风扇启停控制和过温保护。U8.2和U8.3两个运放组成滞回比较器，分别控制风扇通断和在温度过高时拉低CUR_SET来关闭电子负载。使用滞回比较器的目的是防止在阙值处频繁跳变。

 

• Internal current setting：内部电流设定。这部分负载产生可调的恒定电压参考和阶跃电压参考。TL431负责产生稳定的2.5V电压作为基准。U8.4是方波振荡电路，控制Q1导通关断，再经电位器R24分压和跟随器U8.1即产生了幅度可调的方波作为阶跃电压参考STEP_CURRENT_SET。而恒定电压参考是CONST_CURRENT_SET通过将2.5V基准直接经电位器R26分压得到的。恒定电压参考和阶跃电压参考经减法运算器U9.3后再分压就产生了最终的参考电压，具体是将恒定电压参考放大两倍后减去阶跃电压参考，即在恒定电压上减去阶跃电压，实现（一定范围内）任意设置的阶跃电流。

 

• USB PD Decoy：PD诱骗器。使用CH224K在各种快充头上获取12V电源，供控制电路和风扇使用。

 

• Tested power input：待测电源预处理。这部分的重点是R45-R48和C15/C16组成的阻尼网络，由于输入电缆寄生电感的存在，需要它来降低高频增益，增加增益裕度，提高稳定性。

 

 

组装说明

除了原理图内的元器件以外，还需要如下配件：

• 3950K 10KΩ NTC电阻一个，需要带线的。
• BNC公对公线两条，监控级别即可，输入输出带宽<100KHZ，不需要阻抗匹配，自然不需要射频线（当然也没问题）。
• 铝制密齿散热器一块，尺寸长100mm，宽69高36，并打孔攻丝以安装MOS。
• 12V7CM风扇一个。
• 支持12V输出的Type-C快充头一个
• M3螺丝铜柱若干
• 导热硅脂一管
• 导热胶一管

 

运放我实际使用的是TP2274和TP2272，使用LM324/LM358可能影响比较器阙值/环路带宽，备料时请注意。

集齐元器件后按下图将NTC电阻用导热胶（注意不是硅脂）粘到散热器上，并焊接到对应焊盘上，在MOS和散热器之间涂上散热硅脂（注意不是导热胶）

风扇可以考虑直接粘到PCB上，其他组装参考主图即可。

 

测试数据

 

CH1:采样电阻两端电压，CH2:总电流监测输出电压

 

 

启用16点平均，放大观察下降沿，下降时间9.43uS

CH1:采样电阻两端电压，CH2:总电流监测输出电压

 

 

启用16点平均，放大观察上升沿，上升时间7.03uS

CH1:采样电阻两端电压，CH2:总电流监测输出电压

 

CH1:INA180输出电压，CH2:总电流监测输出电压，可以发现霍尔电流传感器噪声还是相当大的

 

 

一个相对还行的降压模块的瞬态响应情况，可以看到电压迅速恢复到稳定值，且没有振铃，根据响应时间可以近似计算环路带宽。

CH1:输出端电压（AC耦合），CH2:总电流监测输出电压

 

 

一个不太好的降压可调电源的瞬态响应情况，输出有明显振荡，且稳定时间很长（一个测试周期内不能稳定）

CH1:输出端电压（AC耦合），CH2:总电流监测输出电压

 

使用实例

 

一个普通的降压电路

 

 

瞬态行为如下图：

CH1:输出端电压（AC耦合），CH2:总电流监测输出电压

可以看到在阶跃电流上升沿处电压产生了很明显的振荡，是典型的相位裕度不足的表现。

 

接下来按照手册加入前馈电容（10pF）

 

添加后瞬态行为如下图：

CH1:输出端电压（AC耦合），CH2:总电流监测输出电压

振荡已经有很明显的改善，但是相位裕度仍不足，需要进一步加大前馈电容（主要是手头上没有比较合适的pF级电容只有10p）