纯电阻负载设计难点

纯电阻负载设计难点
使用功率电阻，例如氧化膜电阻，水泥电阻，以及可调功率电阻器做负载，对直流电源进行负载测试，是否是可行，稳定，精度足够的一种选择呢？
市场目前在实验室中测试电源管理芯片时，采用电子负载产品。

但是电子负载属于有源设备，其小电流时纹波大，以及有源器件固有的噪声，使得用其作为电源模块的测试负载，不利于分析产品故障或失效原因。

因此，尤其是芯片设计人员和应用工程师通常倾向于使用纯电阻可调负载，以规避电子负载的这些缺陷。

遗憾地是，目前功率可调电阻中可以用来做负载的，可选之物甚少。

功率电位器是一个选择。

但在功率和精度上都存在很多弱点。

首先，普通电位器功率偏小；其次，调节精度难以达到负载调节使用的要求。

拿目前市场上做的比较好的捷骏牌的10圈线绕功率电位器（/buy/s-592945.html），阻值100ohm（功率3W）来做举例如下。

一、电位器功率讨论
假设电压U不变化，r1表示限流电阻阻值，是一个已确定的参数，R表示电位器阻值，相当于一个可变化的电阻。

那么P表示电位器R 的功率，P随R的变化而变化。

如图1：
P=2
)1(2R r R U +
------------公式1 对P 以R 求导：
=dR dP 3
2)
1()
1(R r R r U +− ------------公式2 当
=dR
dP
0时，也即R=r1时， 取得极大值P Max =22141r r U =1
42
r U
假设r1=5Ω，U=5V，R=0-100Ω。

图1如下：
表1：部分靠近极值时的数据 R（Ω）
P（W）
R（Ω）
P（W） 4.4 1.244907 4.9 1.249872
4.5 1.246537 5 1.254.6
1.24783
5.1 1.2498774.7 1.248804 5.2 1.2495194.8 1.249479
5.3
1.24894
从该图和表1可以看出，当R=r1时，电位器功率P 的值达到最大。

又，根据功率极值公式P Max =1
42
r U 可知，电位器在回路中工作时，能消耗的最大功率，和回路的总电压的平方成正比，和该回路的限流电阻成反比。

下表2显示了不同负载电流，不同限流电阻值时，对应的电位器最大功率值的情况。

表2：
I U r1
P Max
1A 5V 5ohm(数值上=U) 1.25W(数值上=U/4) 2A 5V 2.5ohm(数值上=U/2)
2.5W(数值上=U/2)
3A 5V 1.66ohm(数值上=U/3) 3.75W(数值上=3U/4) 4A
5V
1.25ohm(数值上=U/4) 5W(数值上=U)
我们还可以根据公式P Max =1
42
r U 求得，当电位器可承载功率最大为
3W时，使用该电位器能得到的最大电流为：I max =
1
r U =U P Max
4=2.4A。

结合表2列出的数据，可以看到，当被测电压更高，输出功率更高时，电位器当负载使用，难以实现。

市场上有更高功率的可调电阻器，但调节精度则很差了。

在实际调试时，使用P=
2
)1(2R r R
U +公式来分析时，可能略显不够直观，因为我们看到的只是P 随R 的变化关系。

假如在回路中加入一个数字显示的电流表（读数为I），实验者可能更希望直观地看一下电流I 的变化会引起电位器功率P 的变化的变化规律。

试讨论之：
P=（U-I.r1）.I= -r1(I-12r U )2 +1
42
r U ------------公式3
假如r1，U是已知参数，那么P是I的一元二次函数，是一条抛物
线曲线，当I=12r U
时，有极大值P Max =1
42r U 。

假如r1=5Ω，U=5V 时，那么当I=0.5A 时，P Max =1.25W。

以此这个极大值点为参考，实验者在调节时，宜避免在此点停留过长时间，以延长
可调电阻器的寿命。

二、电位器电流精度讨论
通常，测试电源类产品，主要看当负载变化时，电压和电流的变化，其中尤其关注电流的变化。

根据上图，公式为：
I=
R
r U
+1 -----------公式4 假定U，r1为固定参数。

那么I 是随R 变化的函数。

对I 以R 求导，公式如下：
dR dI =-2
)1(R r U + -----------公式5
变形为：
dI = -
dR R r U
2
)1(+ -----------公式6
我们可以近似认为dR dI =R
I ΔΔ,因此替换后取绝对值，最后公式可为：
|I Δ|=
R R r U
Δ+2
)1( -----------公式7
该公式说明几点：
1、|I Δ| （电流的变化量）受到U，r1,R, R Δ四个因素的影响。

2、当U，r1，R Δ确定时，也即被测电源电压，回路中的限流电阻，电位器的调节情况（最小调节量）已经确定。

此时，|I Δ|是R Δ的单调递减函数，当R=0时，也就是当电位器调节到阻值为0时，|I Δ|有极大值：
|I Δ|max =
R r U
Δ21
-----------公式8 3、下面用图2进一步说明公式6中限流电阻r1的值，对于电流调节精度的影响。

在回路中负载电流较小时，r1阻值的不同，并不能造成电流调节精度的较大差异；而在回路中负载电流较大时，也即电位器调节到阻值较小的情况下，电流调节精度的差异较大。

下面用图表示。

图2：不同限流电阻阻值的精度曲线
4、在2所述情况中，电位器的调节精度R Δ由其本身产品特性决定。

仍以捷骏牌的10圈线绕功率电位器，阻值100ohm（功率3W）来做举例。

我们假设手工可以灵敏到精确调节1°的转角，那么
R Δ=
°
×°
×Ω360101100=0.028=1/36ΩΩ
代入如下公式|I Δ|max =R r U
Δ21
并制表3：
表3：不同电压，不同负载电流时的电流调节精度
从表3中可以看出：
1、电流变化的最大绝对值|I Δ|max ，和被测电压U成反比，也就是电压越小，电流调节的变化值越大，精度越差；高压下精度反而高。

2、在被测电压U不变的情况下，电流变化的最大绝对值|I Δ|max 和负载电流的平方成正比。

电流越大，电流调节的变化值就更大（以平
方的形式放大）。

综合以上所述，以纯电阻做负载，主要面临如何满足足够精度和功率的问题。

在低电压时，负载电流的调节精度是个比较突出的难点，尤其在低电压，大电流的情况下，电阻的较小变化，就能导致电流的极大变化（读者可自行演算，或根据公式7代算）。

而在高电压时，负载电流的调节精度容易得到保证，难点是如何提高电阻器的功率。

我公司常州市雨来科技有限公司出品的纯电阻负载，核心器件采用自主开发的可调功率电阻器，使得其在功率和精度上能有很好的契合，并总结了一整套产品技术方案。

不过如何实现该种可调功率电阻器达到足够大的功率和足够高的精度，涉及到技术保密，就不在文中详细说明了。

总之，常州市雨来科技有限公司采用的电阻调节技术，完全使用纯电阻器件，创新地采用非电子技术来实现可调功率电阻器的调节及大功率，达到了无源，无纹波，纯阻性，调节方便的特点。

常州市雨来科技有限公司
2007-12-11。