可调开关电源测试仪

2022-05-25杨金刚

电视技术 2022年4期

杨金刚

（大庆油田信息技术公司，黑龙江大庆 163000）

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为了检验开关电源的输出特性，在实际工作中，技术人员不得不采用多个电阻串、并联的方式进行，极端情况下甚至不得不采用电水壶或长导线来充当临时假负载。这样既不方便，也不准确，这已然成为用电设备维护、施工的最大短板[1-2]。针对这个问题，笔者研究设计了一款可调开关电源测试仪。

1 可调开关电源测试仪的设计内容

根据测试工作的实际需要，初步设想可调开关电源测试装置应包括以下几个单元模块：工作电源单元，主回路能耗单元，恒流自动控制单元，过流保护跳机单元，触发式电源控制单元以及温控式强风散热单元。

1.1 工作电源单元

由于设计的测试仪是用来检验电源性能的装置，因此一般情况下可以利用被检测的电源来为装置提供工作电源[3]。但考虑到适应被测试电源的范围尽量宽泛的设计理念，被检电源的低限有可能无法满足场效应管触发的开启电压要求（10 V左右），或被检电源的高限有可能远远超出场效应管触发的极限。因此，测试装置单独设立了一套降压隔离型12 V开关电源作为其工作电源。

1.2 主回路能耗单元

本设计的最大特点在于，功耗元件选择了与传统电阻丝或PTC发热陶瓷不同的MOS大功率场效应管作为有源阻抗元件，利用其栅极控制电压可以改变导通内阻的特性，从而实现根据被检电源的要求线性调节电流的目的。装置的具体电路设计方案如图1所示。

图1 可调式开关电源测试仪电路原理图

本设计所选场效应管型号是IRFP150NPBF，参数为100 V/42 A，考虑余量因素，采用4只并联的方式。在安装结构上，将4只场效应管分散固定在一个80 mm×80 mm×200 mm的铝合金散热器上，在场效应管和散热器的接触面上涂抹适量导热硅脂来确保其紧密接触、导热良好，保障耗能元件工作时的散热效果。为防止栅极悬空使场效应管误导通，电路中设计了对地下拉的3 MΩ电阻，并且每只场效应管都有一个22 kΩ的平衡输入电阻。

1.3 恒流自动控制单元

试验电流的调节与恒流控制，是本测试装置最重要的控制部分，是基于被检电源的规格要求来设定的，并且不受电源输出电压的影响，保持恒定不变。具体设计由集成运算放大器LM358的其中一个单元来实现[4]。在电路结构上，为了减少运放增益过大而导致调节过于灵敏，所选择的反馈电阻数值为100 kΩ，同时还在同相标准输入端对地增加一个 2 kΩ下拉电阻，共同实现电流调节柔性。为了消除杂波脉冲对场效应管导通状态的影响，设计还在运放的输出7脚对地增加了一个电容。

1.4 过流保护跳机单元

设计上，该电路与恒流控制共用集成芯片LM358的另一个运放单元。由于过流保护功能为触发式工作方式，所以运放可以设计为开环工作方式，其反相端输入的标准电压由R5和W3分压获得，而同相输入端输入的取样信号同样取自数显电流表的分流器。动作电流的设定是根据装置的设计容量决定的，通过调节标准电位器W3来实现。当运放反转时，其输出端1脚将变为高电平。该高电平通过导向二极管D1去触发触发式电源控制单元，从而实现保护跳机。

1.5 触发式电源控制单元

设计触发式电源控制单元的目的，是考虑保护跳机的实现。该电路主要由集成D型触发器CD4013及其周边电路元件组成。根据D型触发器的工作原理，将同相输出端12脚与D脚相连，就可以实现CP端11脚每输入一个高电平，触发器就反转一次的目的[5]。装置上电时，电源+12 V电压首先通过C3给置位S端的8脚高电平，使触发器被置位而输出高电平，该高电平将使电源开关管Q1被阻塞截止。当按下启动按钮JN时，+12 V电压通过JN给触发器的时钟CP端送高电平，使触发器输出反转为低电平。该低电平为电源开关管Q1基极提高偏流通道，进而使Q1导通，为装置的电流调节与控制电路供电，至此，装置才真正处于检验被检电源的工作状态。设计C2电容的目的是阻尼启动按键产生的干扰。R3、R4均为功能端的下拉电阻。

1.6 温控式强风散热单元

为了保证测试装置能长时间工作且稳定运行，笔者单独设立了一套能够根据耗能元件的温度高低自动控制切换风扇转速的风冷散热系统。本着简单实用的原则，设计采用了220 V交流电直接驱动的风扇，并设计了温控式两档强风散热方式。其工作流程为：当触发式电源控制单元工作后，继电器J2将通过电容CJ和R29得电吸合，其常闭节点断开，使降压电阻串入电路中，使风扇低速运转；当散热器稳定高于50 ℃时，温控开关RJ断开，使继电器J2失电释放，其节点恢复常闭而短路降压电阻，使风扇高速运转。