翁淑蓉
(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 福建 福州 350003)
小功率開關(guān)電源實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐
翁淑蓉
(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 福建 福州 350003)
本文介紹了研制小功率開關(guān)電源實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的背景和必要性,通過選取反激式變換器這一典型拓?fù)洌O(shè)計(jì)制作了一套教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)并成功應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中。實(shí)踐結(jié)果表明,該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)完全滿足設(shè)計(jì)要求,具有簡單可靠,易于檢測和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),非常適合實(shí)踐教學(xué)使用。
開關(guān)電源;反激式變換器;實(shí)訓(xùn)平臺(tái)
開關(guān)電源與線性穩(wěn)壓電源相比,具有效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn),在日常生活中得到廣泛應(yīng)用,但目前高職院校在介紹直流穩(wěn)壓電源時(shí)都以線性穩(wěn)壓電源為主進(jìn)行講解,對開關(guān)電源甚少提及,在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)更難接觸開關(guān)電源的相關(guān)內(nèi)容,以至于學(xué)生學(xué)完了模擬電路,只知道線性穩(wěn)壓電源,而對實(shí)際生活中應(yīng)用廣泛的開關(guān)電源知之甚少。為了提高高職學(xué)生對開關(guān)電源工作原理的認(rèn)識,提高他們對開關(guān)電源測試及調(diào)試的能力,筆者開發(fā)了一套簡單易行的小功率開關(guān)電源的實(shí)訓(xùn)電路裝置,對學(xué)生的綜合實(shí)訓(xùn)能力培養(yǎng)具有很大的幫助。
1.1 主電路拓?fù)涞倪x擇
開關(guān)電源的高頻變換電路形式很多,在隔離式開關(guān)電源中,常用的有推挽、全橋、半橋、正激和反激等形式[1-2]。推挽變換器功率開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力高,主要用于低輸入電壓的場合;半橋和全橋變換器一般在大功率AC/DC或DC-DC變換器中采用;正激式變換器主要用于較大功率變換器中;反激式變換器的電路結(jié)構(gòu)簡單,元器件數(shù)目較少,成本低廉,廣泛應(yīng)用于高電壓、小功率場合。教學(xué)實(shí)驗(yàn)電源一般采用AC220 V市電供電,市電經(jīng)整流后輸出的直流電壓約為311 V,其所用負(fù)載通常為200 W以下的中小功率負(fù)載,如電阻和直流電機(jī)等。結(jié)合教學(xué)實(shí)訓(xùn)的實(shí)際需求,本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源實(shí)訓(xùn)平臺(tái)選擇單端反激式變換器作為基本拓?fù)洹?/p>
1.2 開關(guān)電源實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的電路設(shè)計(jì)
美國PI公司生產(chǎn)的TOP247屬Topswitch家族的第四代芯片Topswitch-GX系列,其將高壓功率管MOSFET、PWM控制、故障自動(dòng)保護(hù)及其它控制電路集成在一個(gè)CMOS芯片上,使電源的設(shè)計(jì)更簡單靈活,且有效地降低了電源成本,提高了電源性能[3]。本文選擇TOP247Y作為控制IC,所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源實(shí)訓(xùn)電路如圖1所示,該電路具有適應(yīng)市電電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍大(85-265 V),輸出+12 V/5 A,并帶有過壓、欠壓、過流保護(hù)功能[4]。
圖1 開關(guān)電源實(shí)訓(xùn)電路原理圖
1.3 關(guān)鍵測試點(diǎn)的設(shè)置及測試
由上述原理圖設(shè)計(jì)出小功率開關(guān)電源實(shí)訓(xùn)電路的PCB圖,經(jīng)制版、元器件組裝后就可以開始調(diào)試了[5]。調(diào)試開關(guān)電源時(shí),除了用電壓表測量控制電路中相關(guān)器件引腳的電壓之外,更重要的是用示波器觀測相關(guān)的電壓波形,以便判斷開關(guān)電源是否正常工作。選擇合適的測試點(diǎn)既可以保證調(diào)試安全,又可以反映出電源的工作狀態(tài),能夠簡化調(diào)試過程[6]。關(guān)鍵測試點(diǎn)選擇的是TOP247Y芯片的第4和第7引腳,它們對應(yīng)功率開關(guān)管的漏極和源極,在第4腳源極處串聯(lián)電流取樣電阻??蓪⑦@兩個(gè)測試點(diǎn)連接到雙蹤示波器的兩個(gè)通道(CH1和CH2),同時(shí)觀察兩點(diǎn)的波形。從CH1通道可以看到功率開關(guān)管的漏極電壓波形,這個(gè)波形能夠反映出漏極尖峰電壓、輸入直流電壓、二次反射電壓、開關(guān)管導(dǎo)通壓降級導(dǎo)通與截止時(shí)間等信息。所測波形如圖2所示。從CH2可以看到功率開關(guān)管的漏極電流波形,這個(gè)波形是取樣電阻RS上的電壓波形,能夠反映出漏極電流導(dǎo)通與截止時(shí)間等信息。這兩個(gè)關(guān)鍵測試點(diǎn),基本上能夠反映出開關(guān)電源的工作狀態(tài)和有無故障。在調(diào)試過程中,要特別注意這兩個(gè)測試點(diǎn)的波形。當(dāng)逐漸升高輸入電壓時(shí),如果發(fā)現(xiàn)峰值電壓或者峰值電流超過設(shè)計(jì)范圍,應(yīng)該立刻關(guān)閉電源,查找故障,以防功率開關(guān)管的損壞。
圖2 功率開關(guān)管的漏極電壓波形
高頻變壓器一次繞組的電流波形測試,可以通過在一次繞組的上端串聯(lián)取樣電阻實(shí)現(xiàn)。利用示波器進(jìn)行浮動(dòng)測量。在浮動(dòng)測量時(shí),示波器探頭的接地夾將與直流高壓的正端連接。示波器其他通道的探頭及接地夾必須與相關(guān)電路斷開,否則會(huì)短路或者損壞電路元器件。也就是說,浮動(dòng)測量時(shí)只能使用一個(gè)通道,其他通道必須完全斷開。如果使用具有內(nèi)置隔離通道技術(shù)的示波器,則不存在這個(gè)問題。
為了在實(shí)訓(xùn)中能夠方便地測量所需的波形,充分理解和掌握反激式變換器的工作原理,本設(shè)計(jì)在硬件電路中設(shè)置了多個(gè)測試點(diǎn),大大提高了該實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)用性。本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的開關(guān)電源的工作頻率為132 kHz,額定輸出電壓12 V,最大輸出電流5 A,正常運(yùn)行時(shí),通過預(yù)留的測試點(diǎn)可以很方便的測得各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的波形。
調(diào)試開關(guān)電源時(shí),示波器是重要的電源測量平臺(tái),這里主要介紹用示波器調(diào)試開關(guān)電源時(shí)的注意事項(xiàng)。
2.1 調(diào)試安全
開關(guān)電源的一次回路具有幾百伏甚至上千伏的高電壓。一次回路的負(fù)極并不是零電壓,人體接觸該端點(diǎn)會(huì)遭到電擊,危及人身安全。該端點(diǎn)對地連接會(huì)造成電源短路,損壞輸入整流元件。因此,調(diào)試時(shí)必須先連接隔離變壓器,以便實(shí)現(xiàn)電氣隔離。
2.2 關(guān)鍵波形
功率開關(guān)管的漏極電壓波形要密切關(guān)注,即使輸入電壓很小,當(dāng)漏極吸收回路開路是也會(huì)造成很高的漏極尖峰電壓,從而造成功率開關(guān)管擊穿損壞。另外,如果功率開關(guān)管不能飽和導(dǎo)通,會(huì)造成很大的功率損耗,導(dǎo)致開關(guān)管過熱損壞.
2.3 探頭的選擇與連接
測量功率開關(guān)管的漏極電壓時(shí),可以選擇高壓探頭;測量電流時(shí),可以選擇電流探頭。
2.4 探頭的接地
開關(guān)電源存在較強(qiáng)的電磁輻射,探頭接地線過長會(huì)引入干擾。
2.5 兼容與校準(zhǔn)
示波器和探頭并不總是可以互換或者兼容的。最好使用同一家公司生產(chǎn)的示波器和探頭。校準(zhǔn)可以確保每次測量時(shí)儀器均處于最優(yōu)的狀態(tài),不受上次測量的影響,達(dá)到準(zhǔn)確的測量結(jié)果。
為了保證初學(xué)者測量的安全性,本實(shí)訓(xùn)板在測試通電時(shí)采用1:1隔離變壓器。同時(shí)編寫了針對性的實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書,學(xué)生通過實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書所提供的詳細(xì)的電路實(shí)訓(xùn)原理、實(shí)訓(xùn)步驟、參數(shù)及波形的觀察與測試方法,能迅速掌握開關(guān)電源的工作原理,提高測試及調(diào)試的能力。
小功率開關(guān)電源實(shí)訓(xùn)平臺(tái)通過規(guī)范的實(shí)訓(xùn)步驟,讓學(xué)生掌握開關(guān)電源的工作原理,提高測試及調(diào)試的能力。學(xué)生通過學(xué)習(xí)非線性電路的概念與分析方法,對模擬電子技術(shù)中占主導(dǎo)地位的線性電源做了有益的補(bǔ)充,拓展了知識面,并與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合,能更好地適應(yīng)職業(yè)技術(shù)教育對人才的需求。
[1] 沙占友等. 開關(guān)電源設(shè)計(jì)入門與實(shí)例解析[M]. 北京:中國電力出版社,2009年10月.
[2] 沙占友等,開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)[M]. 北京:中國電力出版社,2009年10月.
[3] 沙占友等,開關(guān)電源外圍元器件選擇與檢測[M]. 北京:中國電力出版社,2009年10月.
[4] 倪海東,蔣玉萍 ,開關(guān)電源專用電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京:中國電力出版社,2008年01月
[5] 楊恒,開關(guān)電源印制電路板(PCB)工程設(shè)計(jì)[M]. 北京:中國電力出版社,2009年01月
[6] 沙占友等,開關(guān)電源制作與調(diào)試[M]. 北京:中國電力出版社,2009年10月.
Design and Practice of Training Platform of Low Power Switching Power Supply
WENG Shu-rong
(FujianPolytechnicofInformationTechnology,F(xiàn)uzhou350003,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,實(shí)驗(yàn)師,主要從事電工電子理論與實(shí)踐教學(xué),E-mail:wsr@mitu.cn
G426
A
1008-0686(2017)02-0136-03