小功率开关电源实训平台的设计与实践

翁淑蓉

(福建信息职业技术学院, 福建 福州 350003)

小功率开关电源实训平台的设计与实践

翁淑蓉

(福建信息职业技术学院, 福建 福州 350003)

本文介绍了研制小功率开关电源实训平台的背景和必要性，通过选取反激式变换器这一典型拓扑，设计制作了一套教学实训平台并成功应用于实践教学当中。实践结果表明，该实训平台完全满足设计要求，具有简单可靠，易于检测和维护等优点，非常适合实践教学使用。

开关电源;反激式变换器;实训平台

0 引言

开关电源与线性稳压电源相比，具有效率高、体积小等优点，在日常生活中得到广泛应用，但目前高职院校在介绍直流稳压电源时都以线性稳压电源为主进行讲解，对开关电源甚少提及，在实验实训环节更难接触开关电源的相关内容，以至于学生学完了模拟电路，只知道线性稳压电源，而对实际生活中应用广泛的开关电源知之甚少。为了提高高职学生对开关电源工作原理的认识，提高他们对开关电源测试及调试的能力，笔者开发了一套简单易行的小功率开关电源的实训电路装置，对学生的综合实训能力培养具有很大的帮助。

1 小功率开关电源实训平台的设计

1.1 主电路拓扑的选择

开关电源的高频变换电路形式很多，在隔离式开关电源中，常用的有推挽、全桥、半桥、正激和反激等形式[1-2]。推挽变换器功率开关管承受的电压应力高，主要用于低输入电压的场合；半桥和全桥变换器一般在大功率AC/DC或DC-DC变换器中采用；正激式变换器主要用于较大功率变换器中；反激式变换器的电路结构简单，元器件数目较少，成本低廉，广泛应用于高电压、小功率场合。教学实验电源一般采用AC220 V市电供电，市电经整流后输出的直流电压约为311 V，其所用负载通常为200 W以下的中小功率负载，如电阻和直流电机等。结合教学实训的实际需求，本文设计的开关电源实训平台选择单端反激式变换器作为基本拓扑。

1.2 开关电源实训平台的电路设计

美国PI公司生产的TOP247属Topswitch家族的第四代芯片Topswitch-GX系列,其将高压功率管MOSFET、PWM控制、故障自动保护及其它控制电路集成在一个CMOS芯片上，使电源的设计更简单灵活，且有效地降低了电源成本，提高了电源性能[3]。本文选择TOP247Y作为控制IC，所设计的开关电源实训电路如图1所示，该电路具有适应市电电网电压波动范围大(85-265 V)，输出+12 V/5 A,并带有过压、欠压、过流保护功能[4]。

图1 开关电源实训电路原理图

1.3 关键测试点的设置及测试

由上述原理图设计出小功率开关电源实训电路的PCB图，经制版、元器件组装后就可以开始调试了[5]。调试开关电源时，除了用电压表测量控制电路中相关器件引脚的电压之外，更重要的是用示波器观测相关的电压波形，以便判断开关电源是否正常工作。选择合适的测试点既可以保证调试安全，又可以反映出电源的工作状态，能够简化调试过程[6]。关键测试点选择的是TOP247Y芯片的第4和第7引脚，它们对应功率开关管的漏极和源极，在第4脚源极处串联电流取样电阻。可将这两个测试点连接到双踪示波器的两个通道(CH1和CH2)，同时观察两点的波形。从CH1通道可以看到功率开关管的漏极电压波形，这个波形能够反映出漏极尖峰电压、输入直流电压、二次反射电压、开关管导通压降级导通与截止时间等信息。所测波形如图2所示。从CH2可以看到功率开关管的漏极电流波形，这个波形是取样电阻RS上的电压波形，能够反映出漏极电流导通与截止时间等信息。这两个关键测试点，基本上能够反映出开关电源的工作状态和有无故障。在调试过程中，要特别注意这两个测试点的波形。当逐渐升高输入电压时，如果发现峰值电压或者峰值电流超过设计范围，应该立刻关闭电源，查找故障，以防功率开关管的损坏。

图2 功率开关管的漏极电压波形

高频变压器一次绕组的电流波形测试，可以通过在一次绕组的上端串联取样电阻实现。利用示波器进行浮动测量。在浮动测量时，示波器探头的接地夹将与直流高压的正端连接。示波器其他通道的探头及接地夹必须与相关电路断开，否则会短路或者损坏电路元器件。也就是说，浮动测量时只能使用一个通道，其他通道必须完全断开。如果使用具有内置隔离通道技术的示波器，则不存在这个问题。

为了在实训中能够方便地测量所需的波形，充分理解和掌握反激式变换器的工作原理，本设计在硬件电路中设置了多个测试点，大大提高了该实训教学平台的实用性。本实训平台的开关电源的工作频率为132 kHz,额定输出电压12 V,最大输出电流5 A,正常运行时，通过预留的测试点可以很方便的测得各个关键点的波形。

2 测试的注意事项

调试开关电源时，示波器是重要的电源测量平台，这里主要介绍用示波器调试开关电源时的注意事项。

2.1 调试安全

开关电源的一次回路具有几百伏甚至上千伏的高电压。一次回路的负极并不是零电压，人体接触该端点会遭到电击，危及人身安全。该端点对地连接会造成电源短路，损坏输入整流元件。因此，调试时必须先连接隔离变压器，以便实现电气隔离。

2.2 关键波形

功率开关管的漏极电压波形要密切关注，即使输入电压很小，当漏极吸收回路开路是也会造成很高的漏极尖峰电压，从而造成功率开关管击穿损坏。另外，如果功率开关管不能饱和导通，会造成很大的功率损耗，导致开关管过热损坏.

2.3 探头的选择与连接

测量功率开关管的漏极电压时，可以选择高压探头；测量电流时，可以选择电流探头。

2.4 探头的接地

开关电源存在较强的电磁辐射，探头接地线过长会引入干扰。

2.5 兼容与校准

示波器和探头并不总是可以互换或者兼容的。最好使用同一家公司生产的示波器和探头。校准可以确保每次测量时仪器均处于最优的状态，不受上次测量的影响，达到准确的测量结果。

3 开关电源实训板的特色及创新点

为了保证初学者测量的安全性，本实训板在测试通电时采用1:1隔离变压器。同时编写了针对性的实训指导书，学生通过实训指导书所提供的详细的电路实训原理、实训步骤、参数及波形的观察与测试方法，能迅速掌握开关电源的工作原理，提高测试及调试的能力。

4 结语

小功率开关电源实训平台通过规范的实训步骤，让学生掌握开关电源的工作原理，提高测试及调试的能力。学生通过学习非线性电路的概念与分析方法，对模拟电子技术中占主导地位的线性电源做了有益的补充，拓展了知识面，并与实际应用紧密结合，能更好地适应职业技术教育对人才的需求。

[1] 沙占友等. 开关电源设计入门与实例解析[M]. 北京:中国电力出版社，2009年10月.

[2] 沙占友等，开关电源优化设计[M]. 北京:中国电力出版社，2009年10月.

[3] 沙占友等，开关电源外围元器件选择与检测[M]. 北京:中国电力出版社，2009年10月.

[4] 倪海东，蒋玉萍 ，开关电源专用电路设计与应用[M]. 北京:中国电力出版社，2008年01月

[5] 杨恒，开关电源印制电路板(PCB)工程设计[M]. 北京:中国电力出版社，2009年01月

[6] 沙占友等，开关电源制作与调试[M]. 北京:中国电力出版社，2009年10月.

Design and Practice of Training Platform of Low Power Switching Power Supply

WENG Shu-rong

(FujianPolytechnicofInformationTechnology，Fuzhou350003,China)

This paper introduces the development background and necessity of supply training platform for small power switch power. By choosing the flyback converter as a typical topology, we have designed a set of practical platform and successfully applied et in practical teaching. Practice results show that the training platform fully meet the design requirements, and have a set of advantages with a simple, reliable and easy to detect and maintain , and very suitable for practice teaching.

switching power supply, flyback converter,training platform

2016-05-12;

2016-11- 30

翁淑蓉(1971-)，女，本科，实验师，主要从事电工电子理论与实践教学，E-mail：wsr@mitu.cn

G426

A

1008-0686(2017)02-0136-03