可調開關電源測試儀

楊金剛

（大慶油田信息技術公司，黑龍江 大慶 163000）

0 引 言

為了檢驗開關電源的輸出特性，在實際工作中，技術人員不得不采用多個電阻串、并聯的方式進行，極端情況下甚至不得不采用電水壺或長導線來充當臨時假負載。這樣既不方便，也不準確，這已然成為用電設備維護、施工的最大短板[1-2]。針對這個問題，筆者研究設計了一款可調開關電源測試儀。

1 可調開關電源測試儀的設計內容

根據測試工作的實際需要，初步設想可調開關電源測試裝置應包括以下幾個單元模塊：工作電源單元，主回路能耗單元，恒流自動控制單元，過流保護跳機單元，觸發式電源控制單元以及溫控式強風散熱單元。

1.1 工作電源單元

由于設計的測試儀是用來檢驗電源性能的裝置，因此一般情況下可以利用被檢測的電源來為裝置提供工作電源[3]。但考慮到適應被測試電源的范圍盡量寬泛的設計理念，被檢電源的低限有可能無法滿足場效應管觸發的開啟電壓要求（10 V左右），或被檢電源的高限有可能遠遠超出場效應管觸發的極限。因此，測試裝置單獨設立了一套降壓隔離型12 V開關電源作為其工作電源。

1.2 主回路能耗單元

本設計的最大特點在于，功耗元件選擇了與傳統電阻絲或PTC發熱陶瓷不同的MOS大功率場效應管作為有源阻抗元件，利用其柵極控制電壓可以改變導通內阻的特性，從而實現根據被檢電源的要求線性調節電流的目的。裝置的具體電路設計方案如圖1所示。

圖1 可調式開關電源測試儀電路原理圖

本設計所選場效應管型號是IRFP150NPBF，參數為100 V/42 A，考慮余量因素，采用4只并聯的方式。在安裝結構上，將4只場效應管分散固定在一個80 mm×80 mm×200 mm的鋁合金散熱器上，在場效應管和散熱器的接觸面上涂抹適量導熱硅脂來確保其緊密接觸、導熱良好，保障耗能元件工作時的散熱效果。為防止柵極懸空使場效應管誤導通，電路中設計了對地下拉的3 MΩ電阻，并且每只場效應管都有一個22 kΩ的平衡輸入電阻。

1.3 恒流自動控制單元

試驗電流的調節與恒流控制，是本測試裝置最重要的控制部分，是基于被檢電源的規格要求來設定的，并且不受電源輸出電壓的影響，保持恒定不變。具體設計由集成運算放大器LM358的其中一個單元來實現[4]。在電路結構上，為了減少運放增益過大而導致調節過于靈敏，所選擇的反饋電阻數值為100 kΩ，同時還在同相標準輸入端對地增加一個 2 kΩ下拉電阻，共同實現電流調節柔性。為了消除雜波脈沖對場效應管導通狀態的影響，設計還在運放的輸出7腳對地增加了一個電容。

1.4 過流保護跳機單元

設計上，該電路與恒流控制共用集成芯片LM358的另一個運放單元。由于過流保護功能為觸發式工作方式，所以運放可以設計為開環工作方式，其反相端輸入的標準電壓由R5和W3分壓獲得，而同相輸入端輸入的取樣信號同樣取自數顯電流表的分流器。動作電流的設定是根據裝置的設計容量決定的，通過調節標準電位器W3來實現。當運放反轉時，其輸出端1腳將變為高電平。該高電平通過導向二極管D1去觸發觸發式電源控制單元，從而實現保護跳機。

1.5 觸發式電源控制單元

設計觸發式電源控制單元的目的，是考慮保護跳機的實現。該電路主要由集成D型觸發器CD4013及其周邊電路元件組成。根據D型觸發器的工作原理，將同相輸出端12腳與D腳相連，就可以實現CP端11腳每輸入一個高電平，觸發器就反轉一次的目的[5]。裝置上電時，電源+12 V電壓首先通過C3給置位S端的8腳高電平，使觸發器被置位而輸出高電平，該高電平將使電源開關管Q1被阻塞截止。當按下啟動按鈕JN時，+12 V電壓通過JN給觸發器的時鐘CP端送高電平，使觸發器輸出反轉為低電平。該低電平為電源開關管Q1基極提高偏流通道，進而使Q1導通，為裝置的電流調節與控制電路供電，至此，裝置才真正處于檢驗被檢電源的工作狀態。設計C2電容的目的是阻尼啟動按鍵產生的干擾。R3、R4均為功能端的下拉電阻。

1.6 溫控式強風散熱單元

為了保證測試裝置能長時間工作且穩定運行，筆者單獨設立了一套能夠根據耗能元件的溫度高低自動控制切換風扇轉速的風冷散熱系統。本著簡單實用的原則，設計采用了220 V交流電直接驅動的風扇，并設計了溫控式兩檔強風散熱方式。其工作流程為：當觸發式電源控制單元工作后，繼電器J2將通過電容CJ和R29得電吸合，其常閉節點斷開，使降壓電阻串入電路中，使風扇低速運轉；當散熱器穩定高于50 ℃時，溫控開關RJ斷開，使繼電器J2失電釋放，其節點恢復常閉而短路降壓電阻，使風扇高速運轉。

2 技術指標和性能特點

根據以上設計方案，最終形成的實物如圖2所示。該產品具有以下性能特點。

圖2 可調式開關電源測試儀實物圖

（1）阻抗調節范圍為0.01～100 000 Ω，試驗電壓范圍為1.5～48 V，試驗電流范圍為0～25 A，試驗功率為200 W。

（2）測試結果準確直觀，液晶屏可以直接顯示數字電壓、電流值。

（3）操作方便快捷，具有一鍵啟/停功能和電流線性調節功能。

（4）測試安全性高。設備具有過流保護跳機功能，當測試電流達到設定的閾值即25 A時，開關電源測試儀將自動切斷負載電路，避免設備損壞。

（5）外觀尺寸為11 cm×15 cm×24 cm，體積小巧，重量輕，方便攜帶至現場施工。

（6）該產品從設計到制作，均由大慶油田信息技術公司IT設備維修項目部完成，具有完全的自主知識產權，方便油田內部單位的生產、使用、推廣。

3 結 語

可調開關電源測試儀具有使用方便、測試范圍廣、量程大、測試結果準確直觀的特點。研制成功后，它從根本上解決了各類小型電源缺乏有效測試手段的難題，使檢驗和維修工作變得簡單高效。