CN116430159A - 一种多功能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测试技术领域，具体公开了一种多功能测试系统，包括：系统电源、开环控制电路和闭环控制电路；开环控制电路包括：电压控制元件和第一电流采样电路；闭环控制电路包括：电流控制元件、处理器、三极管、第二电流采样电路、第一电流环路控制电路、第二电流环路控制电路、第一电压环路控制电路、第二电压环路控制电路和电压跟随控制电路，用于根据开环控制电路的电压和电流，控制电压控制元件和电流控制元件，使开环控制电路输出用于测试的测试电压和测试电流；本发明的多功能测试系统，能够减小测量结果的误差，提高测试系统的便携性。

Description

一种多功能测试系统

技术领域

本发明涉及测试技术领域，具体涉及一种多功能测试系统。

背景技术

在电子产品研发阶段中以及产品制造流程中，为保证电子产品的合格率，需要使用测试设备对电子产品的功能进行测试。硬件测试是具有试验性质的测量，即测量和试验的综合。而测试手段就是仪器仪表。测试的基本任务就是获取有用的信息，通过借助专门的仪器、设备，设计合理的实验方法以及进行必要的信号分析与数据处理，从而获得与被测对象有关的信息。

实际测试过程中，常用的测试设备包括电源，电子负载，电池模拟器，电池容量测试，输出电压波形编程电源等，测试时需要将以上至少两个设备组合在一起。

相关技术中的测试设备主要具有以下缺点：

第一、由于这些测试设备体积较大，工程师和产线的测试桌面需要占用很大空间，且各种连线很长且交织在一起，导致测试工程师维护难度大，且组合后的线损耗较大，进一步导致目前的测量结果误差较大。

第二、由于这些测试设备体积较大，导致使用场景有限，便携性较差。比如，在测试工程师出差或是在家里办公时，没有专业的实验室和对应的这些设备，他们就不能测试。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种多功能测试系统，减小测量结果的误差，提高测试系统的便携性。

本发明提供了一种多功能测试系统，所述多功能测试系统包括：系统电源、开环控制电路和闭环控制电路；

所述开环控制电路包括：电压控制元件和第一电流采样电路；

所述闭环控制电路包括：电流控制元件、处理器、三极管、第二电流采样电路、第一电流环路控制电路、第二电流环路控制电路、第一电压环路控制电路、第二电压环路控制电路和电压跟随控制电路，用于根据所述开环控制电路的电压和电流，控制所述电压控制元件和电流控制元件，使所述开环控制电路输出用于测试的测试电压和测试电流；其中，所述系统电源与所述电压控制元件的第一端连接，所述电压控制元件的第二端与所述第一电流采样电路的输入端连接，所述第一电流采样电路的输出端与所述第一电流环路控制电路的第一输入端连接，所述第一电流环路控制电路的输出端与所述第一电压环路控制电路的第一输入端连接，所述第一电压环路控制电路的输出端与所述三极管的第一端和所述电压跟随控制电路的输入端分别连接，所述电压跟随控制电路的输出端与所述电流控制元件的第一端连接，所述电流控制元件的第二端与所述电压控制元件的第二端连接；

所述第二电压环路控制电路的输入端与所述第一电流采样电路的测试输出端和所述处理器分别连接，所述第二电压环路控制电路的输出端与所述第一电压环路控制电路的第一输入端连接；所述三极管的第二端与所述电压控制元件的第三端连接；

所述电流控制元件的第三端接地，或者所述电流控制元件的第三端串联所述第二电流采样电路后接地，所述第二电流采样电路的输出端与所述第二电流环路控制电路的输入端连接，所述第二电流环路控制电路的输出端与所述电流控制元件的第一端连接。

在一种可能的实现方式中，所述处理器用于输出第一编程电流、第二编程电流和编程电压；所述第一电流环路控制电路，用于比较所述测试电流和第一编程电流，输出电流控制信号；

所述第一电压环路控制电路，用于比较分压后的所述测试电压和编程电压，输出电压控制信号；

所述第二电压环路控制电路，用于将所述电流控制信号和所述电压控制信号的数值之和作为基准信号的数值，比较所述基准信号和分压信号，输出电压元件控制信号，以控制所述三极管；所述分压信号是所述电压控制元件的输出端电压的分压信号；

所述三极管，用于根据电压元件控制信号驱动电压控制元件导通或截止；

所述电压跟随控制电路，用于根据所述电压元件控制信号和预设恒定电压，输出第一电流元件控制信号，用以控制所述电流控制元件；

所述第二电流环路控制电路，用于比较所述测试电流和第二编程电流，输出第二电流元件控制信号，用以控制所述电流控制元件导通或截止。

在一种可能的实现方式中，所述多功能测试系统还包括：温度采集模块；

所述温度采集模块，用于采集所述电压控制元件和所述电流控制元件的温度，发送给所述处理器；

所述处理器还用于根据所述电压控制元件和所述电流控制元件的温度以及预设温度阈值，输出温度保护信号，以及对所述温度保护信号和所述分压后的所述测试电压的数值进行求和，输出所述电压元件控制信号。

在一种可能的实现方式中，所述处理器还用于通过电压漂移补偿算法对所述分压后的测试电压进行计算，得到补偿电压，以及对所述补偿电压、所述温度保护信号和所述分压后的所述测试电压的数值进行求和，输出所述电压元件控制信号。

在一种可能的实现方式中，在所述多功能测试系统用于恒压恒流电源时，所述电流控制元件的第三端接地；

在所述温度保护信号为正常且所述测试电流小于预设恒定电流时，所述测试电压通过所述第一电流环路控制电路和所述第一电压环路控制电路调节，控制所述电压控制元件输出恒定电压；

在所述温度保护信号为正常且所述测试电流大于或等于预设恒定电流时，所述测试电压通过所述第一电流环路控制电路、所述第一电压环路控制电路和所述第一电压环路控制电路调节，控制所述电压控制元件输出恒定电流。

在一种可能的实现方式中，在所述多功能测试系统用于电子负载时，所述开环控制电路的输出端与待测设备的正极连接，所述待测设备的负极接地；所述电流控制元件的第三端串联所述第二电流采样电路后接地，所述第二电流采样电路的输出端与所述第二电流环路控制电路的输入端连接，所述第二电流环路控制电路的输出端与所述电流控制元件的第一端连接；

在所述温度保护信号为正常且所述电子负载的电压大于预设恒定电压的分压电压时，所述电压跟随控制电路控制所述电流控制元件导通，所述电子负载处于放电状态，所述第二电流环路控制电路输出恒定电流；

在所述温度保护信号为正常且所述电子负载的电压小于等于预设恒定电压的分压电压时，所述电压跟随控制电路控制所述电流控制元件截止，所述电子负载处于输出恒压状态。

在一种可能的实现方式中，在所述多功能测试系统用于电池模拟器时，所述开环控制电路的输出端与电池的正极连接，所述电池的负极接地； 所述电流控制元件的第三端串联所述第二电流采样电路后接地，所述第二电流采样电路的输出端与所述第二电流环路控制电路的输入端连接，所述第二电流环路控制电路的输出端与所述电流控制元件的第一端连接；

在所述多功能测试系统用于电池模拟器充电时，所述第二电压环路控制电路输出电压元件控制信号，用以控制所述电压控制元件截止，输出恒定电流；

在所述多功能测试系统用于电池模拟器放电时，所述第二电流环路控制电路输出第二电流元件控制信号，用以控制所述电流控制元件截止，输出恒定电流。

在一种可能的实现方式中，在所述多功能测试系统用于电池容量测试时，所述电流控制元件的第三端串联所述第二电流采样电路后接地，所述第二电流采样电路的输出端与所述第二电流环路控制电路的输入端连接，所述第二电流环路控制电路的输出端与所述电流控制元件的第一端连接；所述处理器对所述开环控制电路上的电流进行积分运算，得到给外部电池的充电容量或放电容量。

在一种可能的实现方式中，在所述多功能测试系统用于电压波形输出时，所述多功能测试系统还包括：电容，所述电容的一端与所述电流控制元件的第一输入端连接，另一端接地；所述电流控制元件的第三端串联所述第二电流采样电路后接地，所述第二电流采样电路的输出端与所述第二电流环路控制电路的输入端连接，所述第二电流环路控制电路的输出端与所述电流控制元件的第一端连接；

所述处理器，还用于将接收到的编程波形序列转换为电压波形，所述电压跟随控制电路根据所述电压波形，控制所述电流控制元件对所述电容充放电，使得所述开环控制电路输出编程电压波形。

在一种可能的实现方式中，所述电压控制元件和电流控制元件为MOS管；

所述第一电流环路控制电路、所述第二电流环路控制电路、所述第一电压环路控制电路、所述第二电压环路控制电路为误差放大器；

所述电压跟随控制电路为同相比例放大开漏电路。

基于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明通过对现有的测试设备的融合，将多种功能的测试设备集成为一个多功能测试系统，该集成的测试系统可以兼具恒压恒流电源、电子负载、电池模拟器、电池容量测试、编程电压波形输出等多种功能，减少了线缆使用量，也就减小了线损耗，进而减小了测量结果的误差。

（2）本发明的集成的多功能测试系统，减小了测试设备的占用的体积，也就增加了使用场景，提高了测试系统的便携性。

（3）本发明提供的多功能测试系统，将电源，电子负载，电池模拟器，电池容量测试仪等多种功能融合成一个多功能模块，而不是将各个相互独立功能模块组合到一起，这样大大减少了电路的复杂度和成本；并确保各种功能融合成一个多功能模块后，系统能够稳定可靠安全的运行；同时也满足实际使用过程中各种复杂场景（动态负载，过压过流保护，温度漂移，上位机可编程控制等）的稳定性和安全性。

（4）本发明的多功能测试系统具体实现了以下功能：

用于恒压恒流电源，可以通过闭环控制电路调节，控制多功能测试系统输出恒定电压或恒定电流。

用于电子负载，可以模拟被充电或放电，通过闭环控制电路调节，实现对外部充电电路的恒流放电或者外部充电电路的恒压充电。

用于电池模拟器，通过闭环控制电路调节，实现恒流被充电或者恒压放电。

用于电池容量测试，可以给外部电池充电或放电，并通过处理器对测试电流积分，得到充电容量或者放电容量。

用于编程电压波形输出，可以通过闭环控制电路调节，实现输出的测试电压跟随用户编程的电压变化。

附图说明

图1为本发明提供的多功能测试系统的原理架构图；

图2为本发明提供的多功能测试系统的系统框图；

图3为本发明提供的恒压恒流数字电源的工作框图；

图4为本发明提供的电子负载的工作框图；

图5为本发明提供的电池模拟器的工作框图；

图6为本发明提供的电池容量测试的工作框图；

图7为本发明提供的误差放大器的电路原理图；

图8为本发明提供的电源电压输出与用户设定电压关系的仿真结果图；

图9为本发明提供的误差放大器稳定性的仿真结果图；

图10为本发明提供的电压跟随控制电路原理图；

图11为本发明提供的多功能测试系统的工作路径示意图；

图12为本发明提供的电源恒压恒流输出仿真结果图；

图13为本发明提供的电子负载的工作路径示意图；

图14为本发明提供的电子负载恒压恒流放电的仿真结果图；

图15为本发明提供的电池模拟器模拟电池被充电时的仿真结果图；

图16为本发明提供的电源恒压恒流输出实际电路中输出电容的位置图；

图17为本发明提供的普通电源恒压恒流输出在大负载下的电压跟随仿真波形图；

图18为本发明提供的普通电源恒压恒流输出在小负载下的电压跟随仿真波形图；

图19为本发明提供的增加电压跟随控制电路后电源恒压恒流输出在小负载下的电压跟随仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的优选实施例，本发明的范围由权利要求书限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本发明提供了一种多功能测试系统，多功能测试系统包括：系统电源Vin、开环控制电路1和闭环控制电路2。

图1示出了第一电流环路控制电路22、第二电流环路控制电路23、第一电压环路控制电路24、第二电压环路控制电路25和电压跟随控制电路26更为具体的内部结构。

图2简要示出了第一电流环路控制电路22、第二电流环路控制电路23、第一电压环路控制电路24、第二电压环路控制电路25和电压跟随控制电路26在多功能测试系统中的位置和连接关系。

开环控制电路1包括：电压控制元件Q1和第一电流采样电路11。闭环控制电路2包括：电流控制元件Q2、处理器MCU、三极管Q3、第二电流采样电路21、第一电流环路控制电路22、第二电流环路控制电路23、第一电压环路控制电路24、第二电压环路控制电路25和电压跟随控制电路26，用于根据开环控制电路1的电压和电流，控制电压控制元件Q1和电流控制元件Q2，使开环控制电路1输出用于测试的测试电压和测试电流。

其中，系统电源Vin与电压控制元件Q1的第一端连接，电压控制元件Q1的第二端与第一电流采样电路11的输入端连接，第一电流采样电路11的输出端与第一电流环路控制电路22的第一输入端连接，第一电流环路控制电路22的输出端与第一电压环路控制电路24的第一输入端连接，第一电压环路控制电路24的输出端与三极管Q3的第一端和电压跟随控制电路26的输入端分别连接，电压跟随控制电路26的输出端与电流控制元件Q2的第一端连接，电流控制元件Q2的第二端与电压控制元件Q1的第二端连接。

第二电压环路控制电路25的输入端与第一电流采样电路11的测试输出端和处理器MCU分别连接，述第二电压环路控制电路25的输出端与第一电压环路控制电路24的第一输入端连接。三极管Q3的第二端与电压控制元件Q1的第三端连接。

电流控制元件Q2的第三端接地，或者电流控制元件Q2的第三端串联第二电流采样电路21后接地，第二电流采样电路21的输出端与第二电流环路控制电路23的输入端连接，第二电流环路控制电路23的输出端与电流控制元件Q2的第一端连接。

在一种可能的实现方式中，开环控制电路1还包括：过流保护电路PTC，用于防止开环控制电路的电流过大，损坏元器件。

多功能测试系统还包括分压器K1、分压器K2，分别用于对电压控制元件Q1输出端电压Vo、测试电压Vout进行分压。

处理器MCU还分别与第一模数转换器ADC1、第二模数转换器ADC2、第三模数转换器ADC3、第一数模转换器DAC1、第二数模转换器DAC2、第三数模转换器DAC3、显示器LCD、串口UART连接。

以上本发明提供的多功能测试系统，将电源，电子负载，电池模拟器，电池容量测试仪等多种功能融合成一个多功能模块，而不是将各个相互独立功能模块组合到一起，这样大大减少了电路的复杂度和成本。确保各种功能融合成一个多功能模块后，系统能够稳定可靠安全的运行。同时也满足实际使用过程中各种复杂场景（动态负载，过压过流保护，温度漂移，上位机可编程控制等）的稳定性和安全性。

在一种可能的实现方式中，处理器MCU用于输出第一编程电流Aref、第二编程电流Lref、和编程电压。

第一电流环路控制电路22，用于比较测试电流AFB和第一编程电流Aref，输出电流控制信号。

第一电压环路控制电路24，用于比较分压后的测试电压和编程电压，输出电压控制信号。

第二电压环路控制电路25，用于将电流控制信号和电压控制信号Vref的数值之和作为基准信号的数值，比较基准信号和分压信号，输出电压元件控制信号，以控制三极管Q3。分压信号是电压控制元件Q1的输出端电压的分压信号。

三极管Q3，用于根据电压元件控制信号驱动电压控制元件Q1导通或截止。

电压跟随控制电路26，用于根据电压元件控制信号和预设恒定电压，输出第一电流元件控制信号，用以控制电流控制元件Q2。

第二电流环路控制电路23，用于比较测试电流AFB和第二编程电流Lref，输出第二电流元件控制信号，用以控制电流控制元件Q2导通或截止。

在一种可能的实现方式中，多功能测试系统还包括：温度采集模块。

温度采集模块，用于采集电压控制元件Q1和电流控制元件Q2的温度，发送给处理器MCU。

处理器MCU还用于根据电压控制元件Q1和电流控制元件Q2的温度以及预设温度阈值，输出温度保护信号，以及对温度保护信号和分压后的测试电压的数值进行求和，输出电压元件控制信号。

在一种可能的实现方式中，处理器MCU还用于通过电压漂移补偿算法对分压后的测试电压进行计算，得到补偿电压，以及对补偿电压、温度保护信号和分压后的测试电压的数值进行求和，输出电压元件控制信号。

在一种可能的实现方式中，在多功能测试系统用于恒压恒流电源时，电流控制元件Q2的第三端接地。

在温度保护信号为正常且测试电流AFB小于预设恒定电流时，测试电压通过第一电流环路控制电路22和第一电压环路控制电路24调节，控制电压控制元件Q1输出恒定电压。

在温度保护信号为正常且测试电流AFB大于或等于预设恒定电流时，测试电压通过第一电流环路控制电路22、第一电压环路控制电路24和第一电压环路控制电路24调节，控制电压控制元件Q1输出恒定电流。

在一种可能的实现方式中，在多功能测试系统用于电子负载时，开环控制电路1的输出端与待测设备的正极连接，待测设备的负极接地。电流控制元件Q2的第三端串联第二电流采样电路21后接地，第二电流采样电路21的输出端与第二电流环路控制电路23的输入端连接，第二电流环路控制电路23的输出端与电流控制元件Q2的第一端连接。

在温度保护信号为正常且电子负载的电压大于预设恒定电压的分压电压时，电压跟随控制电路26控制电流控制元件Q2导通，电子负载处于放电状态，第二电流环路控制电路23输出恒定电流。

在温度保护信号为正常且电子负载的电压小于等于预设恒定电压的分压电压时，电压跟随控制电路26控制电流控制元件Q2截止，电子负载处于输出恒压状态。

通过以上方式，使得本发明提供的多功能测试系统，能够对电压控制元件Q1和电流控制元件Q2进行过温保护。

在一种可能的实现方式中，在多功能测试系统用于电池模拟器时，开环控制电路1的输出端与电池的正极连接，电池的负极接地。电流控制元件Q2的第三端串联第二电流采样电路21后接地，第二电流采样电路21的输出端与第二电流环路控制电路23的输入端连接，第二电流环路控制电路23的输出端与电流控制元件Q2的第一端连接。

在多功能测试系统用于电池模拟器充电时，第二电压环路控制电路25输出电压元件控制信号，用以控制电压控制元件Q1截止，输出恒定电流。

在多功能测试系统用于电池模拟器放电时，第二电流环路控制电路23输出第二电流元件控制信号，用以控制电流控制元件Q2截止，输出恒定电流。

在一种可能的实现方式中，在多功能测试系统用于电池容量测试时，电流控制元件Q2的第三端串联第二电流采样电路21后接地，第二电流采样电路21的输出端与第二电流环路控制电路23的输入端连接，第二电流环路控制电路23的输出端与电流控制元件Q2的第一端连接。处理器MCU对开环控制电路1上的电流进行积分运算，得到给外部电池的充电容量或放电容量。

在一种可能的实现方式中，在多功能测试系统用于电压波形输出时，多功能测试系统还包括：电容Co，电容Co的一端与电流控制元件Q2的第一输入端连接，另一端接地。

处理器MCU，还用于将接收到的编程波形序列转换为电压波形，电压跟随控制电路26根据电压波形，控制电流控制元件Q2对电容Co充放电，使得开环控制电路1输出编程电压波形。

在一种可能的实现方式中，电压控制元件Q1和电流控制元件Q2为MOS管。

第一电流环路控制电路22、第二电流环路控制电路23、第一电压环路控制电路24、第二电压环路控制电路25为误差放大器。

电压跟随控制电路26为同相比例放大开漏电路。

以上为本发明的多功能测试系统的结构，以下为多功能测试系统中各电路的作用以及工作原理。

如图7所示，误差放大器G1（s）的第一输入端串联第一电阻R1后接Vi，第二输入端串联第二电阻R2后接Vref，第一输入端还依次串联第三电阻R3和第一电容C1后与误差放大器的输出端Vctl连接。

第一电压环路控制电路的作用是：实现恒定电压。第一电压环路控制电路24输出电平如下公式（1）：

（1）

其中，Vi-Vref为误差信号，当误差信号大于一个很小值时，误差放大器输出低电平。当Vi-Vref小于一个很小值时，误差放大器就会输出高电平。

Vi = Vo *K1，K1为对电压控制元件Q1的输出端电压进行分压的第一分压器K1的分压比。当输出电压高于

时，Vctl输出低电平使电压控制元件Q1关闭。当输出电压低于

时，Vctl输出高电平使电压控制元件Q1导通。如此两种状态在微小时间片上反复调节，最终达到一个平衡，使电压控制元件Q1的输出端电压Vo恒定输出电压为/>

，从而实现电源的恒压输出功能。

如图8所示，取K1=0.5，Vref幅度为1V，频率2Hz时，Vo的输出波形仿真。由此图可以看出Vo输出为

，从而证明了误差放大器的有效性和恒压输出功能的正确性。

如图9所示，可以看出穿越频率点在30kHz左右，且相位余量等于107°(大于45°)，可确保第一电压环路控制电路24的稳定性。

第一电流环路控制电路22和第二电流环路控制电路23的作用是：实现恒定电流。与第二电压环路控制电路25实现恒定电压的原理一样，仅RC参数不一样。

第二电压环路控制电路25的作用是：补偿用户在不同场景下，负载变化和温度漂移等带来的电压漂移。同时，第二电压环路控制电路25更注重电压的高精度，需要采用16bit及其以上的高精度模数转换器。因此，第二电压环路控制电路25采用软件的方式实现一个高精度调节的误差放大器，参考上述公式（1），第二电压环路控制电路25中Vref是用户设定电压值，Vi是

。 K2为对测试电压进行分压的第二分压器的分压比。

第一电压环路控制电路24与第二电压环路控制电路25实现恒定电压的原理一样，仅RC参数不一样。

如图10所示，同相比例放大开漏输出电路K(s)的第一输入端串联第一电阻R1后接地，第二输入端串联第二电阻R2后接Vctl，第一输入端串联第三电阻R3后与误差放大器的输出端Vctl2连接，误差放大器的输出端Vctl2与电流控制元件Q2的第二输入端连接，第一电容C1与所述第三电阻R3并联。

电压跟随控制电路的输出电平如下公式（2）

（2）

当Vctl为低电平时，Vctl2输出为低电平，Q2_ctl1为高阻状态。

如图1所示，当Vo电压高于恒定电压时，第一电压环路控制电路24输出Vctl将输出低电平，以控制Q1关闭，不再输出电压。但是，由于Vo端的电压高于预设的恒定电压，因此需要一个电流流到GND的路径，将能量释放掉，让Vo电压降低。当Vctl为低电平时，Q2_ctl1为高阻状态，Q2_ctl1控制Q2导通，从而实现一个电流流到GND的路径。此工作原理在微小时间片上反复调节，从而实现了Vo电压实时跟随恒定电压

的功能。

以上为本发明的实施例的多功能测试系统，通过对现有的测试设备的融合，将所种功能的测试设备集成为一个多功能测试系统，减少了线缆使用量，也就减小了线损耗，进而减小了测量结果的误差。集成后的多功能测试系统，减小了测试设备的占用的体积，也就增加了使用场景，提高了测试系统的便携性。

本发明基于一个线性的恒压恒流电源，通过电压跟随控制电路将电子负载，电池模拟器，电池容量测试、输出电压波形等功能集成进来，并通过第二电压环路控制电路25，第一电压环路控制电路24，第一电流环路控制电路22，第二电流环路控制电路23之间的特定串并联架构，实施闭环系统的稳定控制。为便于理解，以下将多功能测试系统的多种测试功能进行列举。

以下实施例中，以电压控制元件Q1为PMOS管，电流控制元件Q2为NMOS管为例进行说明。

实施例一

图3为本发明提供的恒压恒流数字电源的工作框图，如图3所示，本发明的一个实施例提供了一种恒压恒流电源，开环控制电路包括依次串联的过流保护电路、PMOS管Q1和第一电流采样电阻，输入电源Vin经过流保护电路、PMOS管Q1后输出电压Vo，经过第一电流采样电阻输出测试电压Vout。

Vo通过分压器K1分压后，连接至第一电压环路控制电路24，作为闭环控制电路2的输入。Vout经过分压器K2分压后，经过模数转换器ADC采集后，作为电压漂移补偿算法的输入信号，电压漂移补偿算法输出一个补偿电压值与编程电压进行加法运算，得出一个基准信号Vref。第一电流环路控制电路22通过比较可编程电流值Aref和开环控制电路的电流，输出一个电流控制信号。电流控制信号与Vref进行加法运算后作为闭环控制电路的比较信号。输入信号与比较信号输入给第一电压环路控制电路24进行比较运算后，输出电压控制信号，控制NPN三极管Q3，通过NPN三极管Q3驱动PMOS管Q1截止，从而实施了一个闭环控制的恒压恒流输出电源系统。

电源恒压恒流输出工作原理：

如附图11，恒压恒流输出电压负反馈传递函数为：

G(s) ={ (Vout-Iout*R1)*K1-[Vout*G4(s)+T*GT(s)+Vusr+(Iout-Ausr)*G2(s)] }*G1(s)

当Iout<Ausr且T<Tth（过温保护阈值）时，G2(s)=0，GT(s) =0，此时G(s)只受G1(s)和G4(s)控制。通过G1(s)和G4(s)调节，可使

，即系统恒定/>

电压输出。

G4(s)在第二电压环路控制电路25中，附图中未示出。

调节过程为：Vout经过G4(s)调节后输出Vref信号(Vref=Vout*G4(s) +Vusr)，然后由 (Vout-Iout*R1)*K1反馈信号与Vref输入给G1(s)，进行误差比较放大。

其中，误差信号为(Vout-Iout*R1)*K1)- Vout*G4(s) –Vusr，误差信号经过G1(s)误差放大后，输出控制信号((Vout-Iout*R1)*K1)- Vout*G4(s) –Vusr) *G1(s)，控制PMOS管Q1输出恒定电压

。

当Iout>=Ausr且T<Tth（过温保护阈值）时，GT(s)=0。此时G(s)只受G1(s)，G2(s)和G4(s)控制。通过G1(s),G2(s)和G4(s)调节，可使Iout = Ausr，即系统恒定Ausr电流输出。

调节过程为：Iout经过G2(s)调节后输出信号(Iout-Ausr)*G2(s)，然后与Vref相加得Vout*G4(s) +Vusr+(Iout-Ausr)*G2(s)。然后与(Vout-Iout*R1)*K1反馈信号经过G1(s)误差放大后，输出控制信号((Vout-Iout*R1)*K1)- Vout*G4(s) –Vusr-(Iout-Ausr)*G2(s)) *G1(s)控制Q1输出一个小于

的电压，但电流恒定为Ausr。输出电压会随负载等效阻抗RL变化而变化，但是输出电流为恒定值Ausr，输出电压Vout=Ausr*RL。

如附图12为电源恒压恒流控制系统仿真结果，设定Vusr=4.2V，输出Ausr=100mA。当负载电阻小于42欧姆时，Iout电流会被恒定控制在Ausr(100mA)，Vout电压小于Vusr(4.2V)。当负载电阻大于42欧姆时，Vout电压会被恒定控制在Vusr(4.2V)，Iout电流小于Ausr(100mA)。依据此仿真结果可以看出，此控制系统准确的实现了电源恒压恒流输出功能。

实施例二

本发明的一个实施例提供了一种电子负载。如附图1和附图4，电子负载功能的具体实施为：基于上述恒压恒流电源的实施，开环控制电路为NMOS功率管Q2连接第二电流采样电阻，然后连接到GND，本系统GND与待测产品负极连接，实现完整的电流回路。控制闭环控制电路为第一电压环路控制电路24输出控制信号给电压跟随控制电路26，电压跟随控制电路26输出一个控制信号控制NMOS管Q2导通关闭，从而实施了一个闭环的恒压放电系统。

第二电流环路控制电路23通过比较可编程电流Lref，输出一个控制信号控制NMOS功率管Q2导通关闭，从而实施了一个闭环的恒流放电系统。

电子负载恒压恒流放电工作原理：如附图13，电子负载恒压恒流放电负反馈传递函数如下公式（3）：

（3）

当

且T<Tth（过温保护阈值）时， Q2处于导通放电状态，系统主要由第二电流环路控制电路23起作用，因此G(s) =(Ild-Lusr)*G3(s)。此时，电子负载放电系统只与G3(s)有关，从而实现一个恒定Ild=Lusr的电流放电模式。

当

且T<Tth（过温保护阈值）时，Q2处于截止状态，Ild=0，电子负载处于关闭状态。电池将不再被放电，VBAT电压也不会再下降，从而实现将电池电压VBAT恒定在Vusr的恒定模式。

如附图14为电子负载为电池恒压恒流控制系统仿真结果，设定Vusr=3.0V，Lusr=100mA。当电池电压VBAT>3.01V时，电子负载工作在恒流Lusr(100mA)放电模式。当电池电压放电至3.0V后，放电电流Ild=0mA，负载停止放电，且电池电压VBAT将稳定在Vusr(3.0V)状态。实际存在VBAT介于3.0V~3.01V的放电区间，此区间放电电流逐渐下降，不再是恒定电流放电模式。其原因是Q2从导通状态变为截止状态的过程中，Q2处于放大状态，因此出现了放电电流逐渐减小的一个区间。在实际应用中，由于此区间范围较小，只有10mV，因此忽略其对电子负载功能和性能的影响。

实施例三

本发明的一个实施例提供了一种电池模拟器，如附图1和图5，电池模拟器功能基于上述恒压恒流电源与电子负载功能的实施，恒压恒流电源输出一个恒定电压作为模拟电池的初始电压，可以模拟电池对外放电，（给待测产品供电），从而实施了模拟电池的放电功能。电子负载功能设定一个恒压放电的电压值，当充电电路给模拟电池充电时，电子负载NMOS功率管与闭环控制电路2连接到GND的放电回路，可模拟电池被充电（外部充电电路给模拟电池充电），从而实施了模拟电池的充电功能。

电池模拟器工作原理：电池模拟器模拟电池放电时，相当于电源模式输出电压。依所述恒压输出工作原理，只需设置Vusr就可以模拟任意电池电压输出，输出电压

。

电池模拟器模拟电池充电时，相当于电子负载恒压放电模式，且采样电阻R1模拟电池内阻。

当模拟电池输出电压

满足外部充电电路的恒流充电区间时，只要将电子负载的恒流放电电流值Lusr，设定大于充电电路的恒流充电电流值，就可以实现模拟电池被充电的状态(即外部充电电流恒流控制优先)，此时电池模拟器的充电电流值等于外部充电器的恒流值。

当模拟电池输出电压

大于[恒压充电电压值-恒流充电电流值*R1]时，且小于充电电路的恒压充电电压值时，电池模拟器模拟电池处于恒压充电状态。

如附图15为电池模拟器模拟电池被充电时的仿真结果，外部充电器设置恒压充电4.36V，恒流充电100mA，电池模拟器模拟电池电压VBAT模拟充电过程中电压的变化，Ild表示模拟电池被充电电流。此结果可以看到：恒流充电阶时，VBAT的电压是逐渐上升的，Ild充电电流是恒定100mA的，完全符合实际电池充电结果。恒压充电阶段时，Ild充电电流变小，电压上升缓慢，完全符合实际电池充电结果。当模拟电池完全充满电，即VBT等于外部充电器恒压充电电压值时，充电电流等于0，完全符合实际电池充电结果。

实施例四

本发明的一个实施例提供了一种电池容量多功能测试系统，如附图1和附图6，电池容量多功能测试系统功能的实施为：基于恒压恒流电源与电子负载功能的实施，恒压恒流电源输出一个恒定电压和恒定电流给待测电池充电，通过对电流采样1电路实时采集的电流积分运算，从而实施了电池充电容量的测试。电子负载的恒压恒流放电功能，可以对电池实施恒压恒流放电，通过对电流采样1电路实时采集的电流积分运算，从而实施了电池放电容量的测试。

电池容量多功能测试系统在给外部电池充电时，相当于作为电源恒压恒流给外部电池供电。只需设置Vusr和Iusr，就可以给外部电池恒压恒流充电。然后实时采集Iout，MCU对Iout积分运算后，就可以计算出给外部电池的充电容量。

电池容量多功能测试系统在给外部电池放电时，相当于作为电子负载给外部电池放电。只需要设置Vusr和Ausr，就可以对外部电池恒压恒流放电。然后实时采集Ild， MCU对Ild积分运算后，就可以计算出外部电池的放电容量。

实施例五

本发明的一个实施例提供了一种具有输出电压波形编程功能的电源系统，基于上述恒压恒流电源的实施，将闭环控制电路的输出控制信号输入给电压跟随控制电路，电压跟随控制电路输出控制信号控制NMOS功率管Q2，对恒压恒流电源输出电容进行及时放电。此过程实现了Vo实时跟随闭环控制电路中的比较电压变化，使恒压恒流电源的系统响应速度变得非常快。用户在上位机编辑一个波形序列（例如100Hz正弦波），通过本系统中UART传送给MCU，MCU控制DAC1将这个波形序列转换为Vref波形序列，然后由恒压恒流系统输出一个Vout波形，从而实施了具有输出电压波形编程功能的电源系统。

如附图16，输出电压波形编程是基于一个可编程的恒压恒流电源上实现的，通过在普通的恒压恒流电源的电路结构上，增加一个电压跟随控制电路实现输出电压波形编程的功能。恒压恒流电源工作原理以及电压跟随控制工作原理与上述一致。

如附图16，恒压恒流电源向外部产品供电时，为减小输出纹波，实际会并联较大的电容Co，电源需要向外提供驱动电流能力越大，则并联的Co就会越大。但是，往往外部产品的不同或同一产品不同工作模式场景下，产品的负载电流(吸收电源的电流)会有大有小。产品负载电流较大时，当电源调节输出电压时，Co上电压会很快跟随变化（如附图17）。但是，产品负载电流较小时，电源调节(调节Vusr)输出电压时，Co上电压会变化很慢，不能实时跟随电压输出需求（如附图18）。

如附图19为增加电压跟随控制电路后的仿真波形，可以看到当负载较小时，电压跟随控制电路会控制Q2对Co放电，放电电流波形为Id。Id的出现，使Vout输出电压能及时跟随用户编辑的电压(Vusr)变化而变化，从而实现了输出电压波形编程功能。

根据上述具体实施方式，本发明提供的多功能测试系统具有以下有益的技术效果：

本发明通过对现有的测试设备的融合，将多种功能的测试设备集成为一个多功能测试系统，该集成的测试系统可以兼具恒压恒流电源、电子负载、电池模拟器、电池容量测试、编程电压波形输出等多种功能，减少了线缆使用量，也就减小了线损耗，进而减小了测量结果的误差。

本发明的集成的多功能测试系统，减小了测试设备的占用的体积，也就增加了使用场景，提高了测试系统的便携性。

本发明提供的多功能测试系统，将电源，电子负载，电池模拟器，电池容量测试仪等多种功能融合成一个多功能模块，而不是将各个相互独立功能模块组合到一起，这样大大减少了电路的复杂度和成本；并确保各种功能融合成一个多功能模块后，系统能够稳定可靠安全的运行；同时也满足实际使用过程中各种复杂场景（动态负载，过压过流保护，温度漂移，上位机可编程控制等）的稳定性和安全性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多功能测试系统，其特征在于，所述多功能测试系统包括：系统电源、开环控制电路和闭环控制电路；

所述开环控制电路包括：电压控制元件和第一电流采样电路；

所述闭环控制电路包括：电流控制元件、处理器、三极管、第二电流采样电路、第一电流环路控制电路、第二电流环路控制电路、第一电压环路控制电路、第二电压环路控制电路和电压跟随控制电路，用于根据所述开环控制电路的电压和电流，控制所述电压控制元件和电流控制元件，使所述开环控制电路输出用于测试的测试电压和测试电流；

其中，所述系统电源与所述电压控制元件的第一端连接，所述电压控制元件的第二端与所述第一电流采样电路的输入端连接，所述第一电流采样电路的输出端与所述第一电流环路控制电路的第一输入端连接，所述第一电流环路控制电路的输出端与所述第一电压环路控制电路的第一输入端连接，所述第一电压环路控制电路的输出端与所述三极管的第一端和所述电压跟随控制电路的输入端分别连接，所述电压跟随控制电路的输出端与所述电流控制元件的第一端连接，所述电流控制元件的第二端与所述电压控制元件的第二端连接；

所述第二电压环路控制电路的输入端与所述第一电流采样电路的测试输出端和所述处理器分别连接，所述第二电压环路控制电路的输出端与所述第一电压环路控制电路的第一输入端连接；所述三极管的第二端与所述电压控制元件的第三端连接；

所述电流控制元件的第三端接地，或者所述电流控制元件的第三端串联所述第二电流采样电路后接地，所述第二电流采样电路的输出端与所述第二电流环路控制电路的输入端连接，所述第二电流环路控制电路的输出端与所述电流控制元件的第一端连接。

2.根据权利要求1所述的多功能测试系统，其特征在于，所述处理器用于输出第一编程电流、第二编程电流和编程电压；所述第一电流环路控制电路，用于比较所述测试电流和第一编程电流，输出电流控制信号；

所述第一电压环路控制电路，用于比较分压后的所述测试电压和编程电压，输出电压控制信号；

所述第二电压环路控制电路，用于将所述电流控制信号和所述电压控制信号的数值之和作为基准信号的数值，比较所述基准信号和分压信号，输出电压元件控制信号，以控制所述三极管；所述分压信号是所述电压控制元件的输出端电压的分压信号；

所述三极管，用于根据电压元件控制信号驱动电压控制元件导通或截止；

所述电压跟随控制电路，用于根据所述电压元件控制信号和预设恒定电压，输出第一电流元件控制信号，用以控制所述电流控制元件；

所述第二电流环路控制电路，用于比较所述测试电流和第二编程电流，输出第二电流元件控制信号，用以控制所述电流控制元件导通或截止。

3.根据权利要求2所述的多功能测试系统，其特征在于，所述多功能测试系统还包括：温度采集模块；

所述温度采集模块，用于采集所述电压控制元件和所述电流控制元件的温度，发送给所述处理器；

所述处理器还用于根据所述电压控制元件和所述电流控制元件的温度以及预设温度阈值，输出温度保护信号，以及对所述温度保护信号和所述分压后的所述测试电压的数值进行求和，输出所述电压元件控制信号。

4.根据权利要求3所述的多功能测试系统，其特征在于，所述处理器还用于通过电压漂移补偿算法对所述分压后的测试电压进行计算，得到补偿电压，以及对所述补偿电压、所述温度保护信号和所述分压后的所述测试电压的数值进行求和，输出所述电压元件控制信号。

5.根据权利要求3所述的多功能测试系统，其特征在于，在所述多功能测试系统用于恒压恒流电源时，所述电流控制元件的第三端接地；

在所述温度保护信号为正常且所述测试电流小于预设恒定电流时，所述测试电压通过所述第一电流环路控制电路和所述第一电压环路控制电路调节，控制所述电压控制元件输出恒定电压；

在所述温度保护信号为正常且所述测试电流大于或等于预设恒定电流时，所述测试电压通过所述第一电流环路控制电路、所述第一电压环路控制电路和所述第二电压环路控制电路调节，控制所述电压控制元件输出恒定电流。

6.根据权利要求3所述的多功能测试系统，其特征在于，在所述多功能测试系统用于电子负载时，所述开环控制电路的输出端与待测设备的正极连接，所述待测设备的负极接地；所述电流控制元件的第三端串联所述第二电流采样电路后接地，所述第二电流采样电路的输出端与所述第二电流环路控制电路的输入端连接，所述第二电流环路控制电路的输出端与所述电流控制元件的第一端连接；

在所述温度保护信号为正常且所述电子负载的电压大于预设恒定电压的分压电压时，所述电压跟随控制电路控制所述电流控制元件导通，所述电子负载处于放电状态，所述第二电流环路控制电路输出恒定电流；

在所述温度保护信号为正常且所述电子负载的电压小于等于预设恒定电压的分压电压时，所述电压跟随控制电路控制所述电流控制元件截止，所述电子负载处于输出恒压状态。

7.根据权利要求2所述的多功能测试系统，其特征在于，在所述多功能测试系统用于电池模拟器时，所述开环控制电路的输出端与电池的正极连接，所述电池的负极接地；所述电流控制元件的第三端串联所述第二电流采样电路后接地，所述第二电流采样电路的输出端与所述第二电流环路控制电路的输入端连接，所述第二电流环路控制电路的输出端与所述电流控制元件的第一端连接；

在所述多功能测试系统用于电池模拟器充电时，所述第二电压环路控制电路输出电压元件控制信号，用以控制所述电压控制元件截止，输出恒定电流；

在所述多功能测试系统用于电池模拟器放电时，所述第二电流环路控制电路输出第二电流元件控制信号，用以控制所述电流控制元件截止，输出恒定电流。

8.根据权利要求2所述的多功能测试系统，其特征在于，在所述多功能测试系统用于电池容量测试时，所述电流控制元件的第三端串联所述第二电流采样电路后接地，所述第二电流采样电路的输出端与所述第二电流环路控制电路的输入端连接，所述第二电流环路控制电路的输出端与所述电流控制元件的第一端连接；所述处理器对所述开环控制电路上的电流进行积分运算，得到给外部电池的充电容量或放电容量。

9.根据权利要求2所述的多功能测试系统，其特征在于，在所述多功能测试系统用于电压波形输出时，所述多功能测试系统还包括：电容，所述电容的一端与所述电流控制元件的第一输入端连接，另一端接地；所述电流控制元件的第三端串联所述第二电流采样电路后接地，所述第二电流采样电路的输出端与所述第二电流环路控制电路的输入端连接，所述第二电流环路控制电路的输出端与所述电流控制元件的第一端连接；

所述处理器，还用于将接收到的编程波形序列转换为电压波形，所述电压跟随控制电路根据所述电压波形，控制所述电流控制元件对所述电容充放电，使得所述开环控制电路输出编程电压波形。

10.根据权利要求1-9任一所述的多功能测试系统，其特征在于，所述电压控制元件和电流控制元件为MOS管；

所述第一电流环路控制电路、所述第二电流环路控制电路、所述第一电压环路控制电路、所述第二电压环路控制电路为误差放大器；

所述电压跟随控制电路为同相比例放大开漏电路。

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