專利名稱：直流電子負載模擬裝置的制作方法
技術領域：
本發明是關于一種直流電子負載模擬裝置，特別是指一種可同時連接多個不同極性輸出的直流電源供應器，且但不需每個電子負載均作隔離處理、僅需要一組工作電源的直流電子負載模擬裝置。
在目前所普遍使用的各種電子設備及控制設備中，其內部所配置的電源供應器常需要同時具備正電源及負電源的輸出，以能供應該電子設備或控制設備所需的工作電源。例如在典型的電腦設備中，其內部所配置的直流電源供應器，一般即包括有+5V、-5V、+12V、-12V或+5V、-5V、+12V、-12V、3.3V的輸出電源。又例如在一般類比電路中所使用的輸出電源包括有+12V、-12V及+15V、及-15V等。
由于該電源供應器擔負了供應電子設備及控制設備所需工作電源的重任，故其在電氣特性方面的穩定性、可靠性、輸出容量、規格等皆極為重要。因此，該電源供應不論是在產制過程、檢測過程及日后維修的各個階段，都有必要進行各項電氣特性的測試。
一般在測試一直流電源供應器的電氣特性時，除了可以連接一實際的電氣負載予以測試之外，亦可以一直流電子負載模擬裝置來模擬該實際負載，來驗證該電源供應器的輸出容量、規格等電氣特性是否符合所要求的規范。
在傳統技術中所使用的直流電子負載模擬器均為單極性的獨立負載，適用于正極性輸出電源使用，圖1顯示其在測試時的連結示意圖。其是將正極性直流電源供應器1a的正極輸出端+連接于直流電子負載模擬裝置2的正極輸入端+，而將共同輸出端COM連接于直流電子負載模擬裝置2的負極輸入端-。
若是在負極性輸出電源的測試時，則需將該負極性直流電源供應器1b的共同輸出端COM連接于該直流電子負載模擬裝置2的正極輸入端+，而將負極輸出端-連接于該直流電子負載模擬裝置2的負極輸入端-。
而對于一雙極性直流電源供應器的測試時，傳統技術是直接將該雙極性直流電源供應器1c的正極輸出端+連接于第一個直流電子負載模擬裝置2a的正極輸入端+，而將共同輸出端COM連接于該直流電子負載模擬裝置2a的負極輸入端-。同時，該雙極性輸出電源1c的共同輸出端COM連接于第二個直流電子負載模擬裝置2b的正極輸入端+，而將負極輸出端-連接于該直流電子負載模擬裝置2b的負極輸入端-。
但以上述傳統技術的連接方式，欲對雙極性直流電源供應器進行測試時，每一個電子負載裝置必須均為地隔離，否則會在兩個單極性的直流電子負載間造成回路，而不能正常執行模擬的工作。該電子負載的控制信號亦需予以隔離，方能執行控制。此外，該傳統的測試架構，亦需獨立的電源，亦即需要有兩組工作電源，分別供應給兩個電子負載模擬裝置。
因此，本發明的主要目的是提供一種直流電子負載模擬裝置，其可同時連接多個不同極性輸出直流電源供應器，但不需每個負載均作隔離處理，同時僅需要一組電源即可。
本發明的目的可以在基于同一構思地按下述三種方式實現1、一種直流電子負載模擬裝置，包括有一正極性輸入控制電路以及一負性輸入控制電路，其中該正極性輸入控制電路包括有一數字至類比轉換器，用以產生一負載電流設定值；一第一運算放大器，其反相輸入端是連接接收該數字至類比轉換器所輸出的負載電流設定值；一N通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件，其導通狀態控制級由該第一運算放大器所控制；一負載電流感測元件，與該N通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件串聯，用以檢測負載電流大小；一第二運算放大器，并聯并用以檢測及放大該負載電流感測元件所檢測的負載電流大小，其輸出產生一回授實際電流值送至該第一運算放大器的反相輸入端作為回授信號；而該負極性輸入控制電路包括有一數字至類比轉換器，用以產生一負載電流設定值；一反相電路，連接并用以將該負載電流設定值予以反相；一第三運算放大器，其反相輸入端是用以接收該反相電路輸出端的輸出信號；一P通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件，其導通狀態控制級由該第三運算放大器所控制；一負載電流感測元件，與該P通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件串聯，用以檢測負載電流大小；一第四運算放大器，并聯用以檢測及放大該負載電流感測元件所檢測的負載電流大小，其輸出并產生一回授實際電流值送至該第三運算放大器的反相輸入端作為回授信號；于連接時，是將一雙極性直流電源供應器的正極輸出端直接連接于該直流電子負載模擬裝置的正極輸入端，而將共同輸出端連接于該直流電子負載模擬裝置的共同輸入端，而雙極性直流電源供應器的負極輸出端則是直接連接于直流電子負載模擬裝置的負極輸入端。
2、一種直流電子負載模擬裝置，包括多組正極性輸入控制電路以及多組負極性輸入控制電路，其中每一組正極性輸入控制電路包括有一數字至類比轉換器，用以產生一負載電流設定值；一第一運算放大器；一N通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件，其導通狀態控制級由該第一運算放大器所控制；一負載電流感測元件，與該N通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件串聯，用以檢測負載電流大小；一第二運算放大器，并聯并用以檢測及放大該負載電流感測元件所檢測的負載電流大小，其輸出產生一回授實際電流值連接送至該第一運算放大器的反相輸入端作為回授信號；其中各組正極性輸入控制模組的第一運算放大器的反相輸入端是共同連接至一誤差運算放大器的輸出端，而誤差運算放大器的反相輸入端則是連接于該數字至類比轉換器的輸出端，以接收該負載電流設定值；而各組正極性輸入控制模組的第二運算放大器的輸出端是共同連接至一負載電流加法器的正相輸入端，而負載電流加法器的輸出端所產生的輸出電壓則送至誤差運算放大器的反相輸入端；而各組負極性輸入控制電路包括有一數字至類比轉換器，用以產生一負載電流設定值；一第三運算放大器；一P通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件，其導通狀態控制級由該第三運算放大器所控制；一負載電流感測元件，與該P通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件串聯，用以檢測負載電流大小；一第四運算放大器，并聯并用以檢測及放大該負載電流感測的元件所檢測的負載電流大小，其輸出并產生一回授實際電流值送至該第三運算放大器的反相輸入端作為回授信號；其中各組負極性輸入控制模組的第三運算放大器的反相輸入端是共同連接至一反相電路的輸出端，而該反相電路的反相輸入端則連接于一誤差運算放大器的輸出端，而誤差運算放大器的反相輸入端則是連接于該數字至類比轉換器的輸出端，以接收該負載電流設定值；而各組負極性輸入控制模組的第四運算放大器的輸出端是共同連接至一反相電路的反相輸入端，而該反相電路的輸出端則是連接至一負載電流加法器的反相輸入端，而負載電流加法器的輸出端所產生的輸出電壓則送至誤差運算放大器的反相輸入端；于連接時，是將一雙極性直流電源供應器的正極輸出端直接連接于該直流電子負載模擬裝置的正極輸入端，而將共同輸出端連接于該直流電子負載模擬裝置的共同輸入端，而雙極性直流電源供應器的負極輸出端則是直接連接于直流電子負載模擬裝置的負極輸入端。
3、一種直流電子負載模擬裝置，包括一負極性輸入控制電路，該負極性輸入控制電路包括有一數字至類比轉換器，用以產生一負載電流設定值；一反相電路連接數字至類比轉換器，用以將該負載電流設定值予以反相；一第三運算放大器，其反相輸入端是連接用以接收該反相電路輸出端的輸出信號；一P通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件，其導通狀態控制級由該第三運算放大器所控制；一負載電流感測元件，與該P通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件串聯，用以檢測負載電流大小；一第四運算放大器，并聯并用以檢測及放大該負載電流感測元件所檢測的負載電流大小，其輸出并產生一回授實際電流值送至該第三運算放大器的反相輸入端作為回授信號。
以本發明的電路架結構，可減少直流電子負載模擬裝置內的電路所需元件及空間，易于連接使用，并可降低成本。
本發明的其它目的及其設計，將藉由以下實施例及附呈附圖予以詳細說明，其中
圖1是顯示傳統技術中，以一單極性直流電子負載模擬裝置連接于一正極性電電源供應器的連接示意圖；圖2是顯示傳統技術中，以一單極性直流電子負載模擬裝置連接于一負極性電電源供應器的連接示意圖；圖3是顯示傳統技術中，以兩個單極性直流電子負載模擬裝置連接于一雙極性電電源供應器的連接示意圖；圖4是本發明的雙極性直流電子負載模擬裝置連接于一雙極性電電源供應器的連接示意圖5是本發明直流電子負載模擬裝置的正極性輸入控制電路圖；圖6是本發明直流電子負載模擬裝置的負極性輸入控制電路圖；圖7是本發明第二實施例中以兩個正極性輸入控制模組并聯構成一直流負載模擬裝置的電路圖；圖8是本發明的第二實施例中以兩個負極性輸入控制模組并聯構成一直流負載模擬裝置的電路圖。
請參閱圖4所示，其是顯示本發明的雙極性直流電子負載模擬裝置3連接于一雙極性直流電源供應器1c的連接示意圖。其是將雙極性直流電源供應器1c的正極輸出端+直接連接于本發明的直流電子負載模擬裝置3的正及輸入端+，而將共同輸出端COM連接于該直流電子負載模擬裝置3的共同輸入端COM，而雙極性直流電源供應器3的負極輸出端-則是直接連接于本發明的直流電子負載模擬裝置3的負極輸入端-。
圖5是本發明直流電子負載模擬裝置的正極性輸入控制電路圖，其主要包括有一數字至類比轉換器31、一第一運算放大器32、一N通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件33(N-MOSFET)、一負載電流感測元件34、一第二運算放大器35。其中該第一運算放大器32、N通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件33、負載電流感測元件34、第二運算放大器35共同構成了一正極性輸入控制模組3a。其中第一運算放大器32是作為驅動電路，而第二運算放大器35是作為電流差動放大器。
該數字至類比轉換器31是用以將所設定負載電流的數字信號(D0～D7)轉為一負載電流設定值Va1。此負載電流設定值Va1送到第一運算放大器32的反相輸入端-，而可由第一運算放大器32在其輸出端產生一驅動信號控制該N通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件33的導通狀態。當該N通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件33導通時，其負載電流值IL的大小可由一負載電流感測元件34(例如一電阻)及第二運算放大器35予以檢測并予以放大。第二運算放大器35的輸出端所產生的電流差動信號再送至前述第一運算放大器32的反相輸入端-，作為回授實際電流值Va2。當負載電流設定值Va1改變時(例如0至-10V)，則即可在前述電路的控制之下，在負載端得到一正向的負載電流(例如0至+1max)。
圖6是本發明直流電子負載模擬裝置的負極性輸入控制電路圖，其主要包括有一數字至類比轉換器41、一第三運算放大器42、一反相電路42a、一P通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件43(P-MOSFET)、一負載電流感測元件44、一第四運算放大器45、一電流回授反相電路。其中該第三運算放大器42、P通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件43、負載電流感測元件44、第四運算放大器45共同構成了一負極性輸入控制模組4a。其中第三運算放大器42是作為驅動電路，而第四運算放大器45是作為電流差動放大器。
該數字至類經轉換器41是用以將所設定負載電流的數字信號(D0～D7)轉為一負載電流設定值Vb1，此設定值經由一反相電路42a送到第三運算放大器42的反相輸入端-，而可由該第三運算放大器42在其輸出端產生一驅動信號控制該P通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件43的導通狀態。當該P通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件43導通時，其負載電流值IL的大小可由一負載電流感測元件44(例如一電阻)及第四運算放大器45予以檢測并予以放大，其在輸出端所產生的電流差動信號再送至前述第三運算放大器42的反相輸入端-，作為回授實際電流值vb2。當負載電流設定值vb1改變時(例如0至-10V)，則即可在前述電路的控制之下，在負載端得到一負向的負載電流(例如0至-1max)。
由以上本發明實施例電路可知，圖5及圖6的控制電路均可使用同一工作電源，而不需要獨立隔離的工作電源。本發明的電路架構，可減少直流電子負載模擬裝置內的電路所需元件及空間，易于連接使用，并可降低成本。而在擴充性方面，以本發明的架構可以擴充為更多組正極性或負極性的電子負載模擬裝置的連結，以適合應用在多組輸出電源供應器的測試需求。
前述的第一實施例中，圖5所示是以單一組正極性輸入控制模組3a來構成一正極性直流電子負載。在實際的應用時，亦可并聯數個相同的正極性輸入控制模組，來增加其負載電流。例如圖7即顯示本發明的第二實施例中以兩個正極性輸入控制模組3a、3b并聯所構成的直流負載模擬裝置的電路圖。在此一實施例，其總負載電流的大小即為IL1和IL2的總和，由于該兩個模組的內部構件乃完全相同，故僅在其中第一個模組標示元件編號。
圖7中，第一組正極性輸入控制模組3a與第二組正極性輸入控制模組3b兩者的第一運算放大器32的反相輸入端-是共同連接至一誤差運算放大器36的輸出端，而誤差運算放大器36的反相輸入端-則是連接于數字至類比轉換器31的輸出端，以接收其輸出電壓。
此外，該第一組正極性輸入控制模組3a與第二組正極性輸入控制模組3b兩者的第二運算放大器35的輸出端是共同連接至負載電流加法器37的正相輸入端+。而負載電流加法器37的輸出端所產生的輸出電壓則送至誤差運算放大器36的反相輸入端-。
數字至類比轉換器31將所設定的正極性負載電流的數字信號(D0～D7)轉為0～10V的負載電流設定值vc1，當該值大于負載電流加法器37所回授的回授實際電流值vc2時，誤差運算放大器36輸出端的輸出電壓會變負，經過第一運算放大器32之后，會使輸出端的電壓VC1變正增加，因此使第一組正極性輸入控制模組3a與第二組正極性輸入控制模組3b兩者N通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件33更導通，使負載電流IL1及IL2增加，亦即總電流增加。
當負載電流IL1及IL2增加后，使得第一組正極性輸入控制模組3a與第二組正極性輸入控制模組3b兩者的第二運算放大器的輸出增加，經負載電流加法器37將IL1與IL2相加后，使得該負載電流加法器37輸出端的回授實際電流值Vc2變負增大。如此，當該負載電流設定值vc1與回授實際電流值Vc2的值達到平衡時，即使得實際輸出至負載的總電流即等于數字至類比轉換器31的輸入端D0～D7所設定的負載電流值。
相似地，圖6所示是以單一組負極性輸入控制模組4a來構成一負極性直流電子負載。在實際的應用時，亦可并聯數個相同的負極性輸入控制模組，來增加其負載電流。例如圖8即顯示本發明的第二實施例中以兩個負極性輸入控制模組4a、4b并聯所構成的直流負載模擬裝置的電路圖。在此一實施例，其總負載電流的大小即為IL1與IL2的總和。
圖8中，第一組負極性輸入控制模組4a與第二組負極性輸入控制模組4b兩者的第三運算放大器42的反相輸入端-是共同經一反相電路42a而連接至一誤差運算放大器46的輸出端，而誤差運算放大器46的反相輸入端-則是連接于數字至類比轉換器41的輸出端，以接收其輸出電壓。
此外，該第一組負極性輸入控制模組4a與第二組負極性輸入控制模組4b兩者的第四運算放大器45的輸出端是共同連接至負載電流加法器47的反相輸入端-。而負載電流加法器47的輸出端，經一反相電路47a予以反相，再將該反相電路47a輸出端所產生的輸出值送至誤差運算放大器46的反相輸入端-。
圖8所示，當數字至類比轉換器41輸入端D0～D7所設定的負載電流設定值Vd1大于回授實際電流值vd2時，誤差運算放大器46的輸出變減負，經過反相電路42a后，使其輸出值變增大，再經過第三運算放大器42之后，則使該第一組正極性輸入控制模組3a與第二組正極性輸入控制模組3b兩者的第三運算放大器42的輸出電壓VG1及VG2變更負。因此使P通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件43更導通，致使電流IL1及IL2增加，亦即使總電流增加。
當該第一組正極輸入控制模組3a的負載電流IL1與第二組正極性輸入控制模組3b的負載電流IL2增加后，使第四運算放大器45的輸出往負值增大，經過負載電流加法器46將IL1與IL2相加并反相，故使該負載電流加法器46的輸出值往正值增大，再經反相器47a使其信號反相，最后使誤差運算放大器46的輸出達到平衡，使實際負載電流等于數字至類比轉換器41輸入端D0～D7所設定的負載電流值。
綜上所述，本發明所提供的直流電子負載模擬裝置，確具高度的實用價值，且亦符合專利法中所規定的新穎性及進步性要件，于是依法提出專利的申請。
權利要求
1.一種直流電子負載模擬裝置，包括有一正極性輸入控制電路以及一負性輸入控制電路，其特征在于該正極性輸入控制電路包括有以產生負載電流設定值的一數字至類比轉換器，；一第一運算放大器，其反相輸入端是連接該數字至類比轉換器所輸出的負載電流設定值；一N通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件，其導通狀態控制極由該第一運算放大器所連接控制；一負載電流感測元件，與該N通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件串聯；一第二運算放大器，并聯該負載電流感測元件，其輸出產生一回授實際電流值連接該第一運算放大器的反相輸入端作為回授信號；而該負極性輸入控制電路包括有以產生一負載電流設定值的一數字至類比轉換器，一反相電路連接數字至類比轉換器，一第三運算放大器，其反相輸入端是連接接收該反相電路輸出端的輸出信號；一P通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件，其導通狀態控制級由該第三運算放大器所連接控制；一負載電流感測元件，與該P通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件串聯；一第四運算放大器，并聯該負載電流感測元件，其輸出產生一回授實際電流值送至該第三運算放大器的反相輸入端作為回授信號。
2.一種直流電子負載模擬裝置，包括多組正極性輸入控制電路以及多組負極性輸入控制電路，其特征在于每一組正極性輸入控制電路包括有產生一負載電流設定值的一數字至類比轉換器；一第一運算放大器；一N通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件，其導通狀態控制級由該第一運算放大器所連接控制；一負載電流感測元件，與該N通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件串聯；一第二運算放大器，并聯該負載電流感測元件所檢測的負載電流大小，其輸出產生一回授實際電流值連接至該第一運算放大器的反相輸入端；其中各組正極性輸入控制模組的第一運算放大器的反相輸入端是共同連接至一誤差運算放大器的輸出端，而誤差運算放大器的反相輸入端則是連接于該數字至類比轉換器的輸出端；而各組正極性輸入控制模組的第二運算放大器的輸出端是共同連接至一負載電流加法器的正相輸入端，而負載電流加法器的輸出端所產生的輸出電壓則送至誤差運算放大器的反相輸入端；而各組負極性輸入控制電路包括有以產生一負載電流設定值的一數字至類比轉換器；一第三運算放大器；一P通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件，其導通狀態控制級由該第三運算放大器所連接控制；一負載電流感測元件，與該P通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件串聯；一第四運算放大器，并聯該負載電流感測元件，輸出一回授實際電流值送至該第三運算放大器的反相輸入端；其中各組負極性輸入控制模組的第三運算放大器的反相輸入端是共同連接至一反相電路的輸出端，而該反相電路的反相輸入端則連接于一誤差運算放大器的輸出端，而誤差運算放大器的反相輸入端則是連接于該數字至類比轉換器的輸出端，以接收該負載電流設定值；而各組負極性輸入控制模組的第四運算放大器的輸出端是共同連接至一反相電路的反相輸入端，而該反相電路的輸出端則是連接至一負載電流加法器的反相輸入端，而負載電流加法器的輸出端所產生的輸出電壓則送至誤差運算放大器的反相輸入端。
3.一種直流電子負載模擬裝置，包括一負極性輸入控制電路，其特征在于該負極性輸入控制電路包括有以產生一負載電流設定值的一數字至類比轉換器；一反相電路連接數字至類比轉換器；一第三運算放大器，其反相輸入端是連接該反相電路輸出端的輸出信號；一P通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件，其導通狀態控制級由該第三運算放大器所控制；一負載電流感測元件，與該P通道功率金屬氧化物場效應電晶體元件串聯；一第四運算放大器，并聯該負載電流感測元件，其輸出產生一回授實際電流值送至該第三運算放大器的反相輸入端作為回授信號。
全文摘要
一種直流電子負載模擬裝置,包括有正極性輸入控制電路以及負極性輸入控制電路,是將一雙極性直流電源供應器的正極輸出端連接于該直流電子負載模擬裝置的正極輸入端,將共同輸出端連接于該直流電子負載模擬裝置的共同輸入端,電源供應器的負極輸出端連接于直流電子負載模擬裝置的負極輸入端。此結構可同時連接多個不同極性輸出的直流電源供應器,而不需每個電子負載均作隔離處理,并只需一組電源,可減少電路所需元件及空間,易于連接使用,并可降低成本。
文檔編號G05F1/00GK1274088SQ9910741
公開日2000年11月22日 申請日期1999年5月18日 優先權日1999年5月18日
發明者劉英彰 申請人:劉英彰