一種小型可拓展式實(shí)驗(yàn)電源平臺(tái)的設(shè)計(jì)

馮夢(mèng)雨

【摘 要】在各高校實(shí)驗(yàn)室中，經(jīng)常可以見(jiàn)到一些大體積低效率的實(shí)驗(yàn)電源，這類電源內(nèi)部多為純模擬電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)降壓輸出。從上世紀(jì)末到目前為止，這類電源仍活躍于各大電子類高校中，為了提高電源效率，提升安全性以及可拓展性，本文提出了一種電子基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)室中實(shí)驗(yàn)電源的替代方案，采用此方案可以大大縮減實(shí)驗(yàn)電源的成本，降低學(xué)生誤操作帶來(lái)的危險(xiǎn)系數(shù)，減小實(shí)驗(yàn)電源設(shè)備的體積，提升電源終端的便捷性及可拓展性等。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)電源;可拓展;電源平臺(tái);集中管理

中圖分類號(hào)： O6-3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）23-0017-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.006

【Abstract】In the university laboratories， some large-volume and low-efficiency experimental power sources can often be seen. These power supplies are mostly pure analog circuit structures， which realize step-down output. Since the end of the last century， this type of power supply has been active in major electronic universities. In order to improve power efficiency， improve safety and expandability， this paper proposes an alternative to experimental power supply in an electronic basic laboratory. Using this scheme can greatly reduce the cost of the experimental power supply， reduce the risk factor caused by students misoperation， reduce the volume of the experimental power supply equipment， and improve the convenience and expandability of the power supply terminal.

【Key words】Experimental power supply; Expandable; Power platform; Centralized management

0 引言

在我們的日常生活中，處處離不開(kāi)電源，那么電源是什么呢？電源又在我們的生活中扮演著什么樣的角色？在早期科技比較落后時(shí)，我們所說(shuō)的電源通常是指能提供電能的裝置，比如電網(wǎng)里的電能、蓄電池等。但是在電力電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，我們所說(shuō)的電源早已經(jīng)不僅僅是產(chǎn)生或提供電能的設(shè)備裝置了，而是一種能夠滿足我們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)所需的一種電能變換的電路結(jié)構(gòu)，比如各種電源適配器、逆變器、電壓電流變換器、各類驅(qū)動(dòng)器等。可見(jiàn)電源已經(jīng)深深地和我們的生活緊密融合，變得密不可分，其重要性不言而喻。

電源在各大電子技術(shù)類的高校中也非常常見(jiàn)，在一些電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室中，通常可以看到在每張實(shí)驗(yàn)桌上擺放有一臺(tái)體積龐大的實(shí)驗(yàn)電源，在電子技術(shù)飛速發(fā)展的今天，這類純模擬電路元件打造電源其實(shí)早已有了更好的替代品，比如普通開(kāi)關(guān)電源、高頻數(shù)字電源等。

1 理念與思路

經(jīng)過(guò)多個(gè)電子類高校的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前實(shí)驗(yàn)室中所采用的電源仍舊式是比較古老的模擬電源，此類電源主要工作原理為：將220V工頻交流電先通過(guò)一個(gè)大體積多路輸出的變壓器降為多級(jí)低壓交流電，經(jīng)過(guò)整流濾波后再通過(guò)運(yùn)算放大器控制功率三極管消耗掉多余的能量，輸出我們所需的直流電壓或電流。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)較為明顯，可以大大地提升輸出電壓的穩(wěn)定性，輸出電壓紋波可以控制在一個(gè)很小的范圍。但缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)，由于其主要拓?fù)洳捎昧舜?lián)分壓的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了一部分功率的損耗，尤其是在輸入輸出電壓差值較大的情況下，輸出電流越大，在功率三極管上損耗的功率也就越多，這就導(dǎo)致功率三極管上會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，需要較大體積的散熱片以及散熱風(fēng)扇來(lái)進(jìn)行散熱，確保功率三極管處于安全工作溫度范圍內(nèi)。

綜合來(lái)看，現(xiàn)有情況是：每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)擺放一臺(tái)體積較大的電源，占用空間和加大了成本的投入;其次采用220V供電，對(duì)于一些試驗(yàn)場(chǎng)景會(huì)帶來(lái)一定的危險(xiǎn)，威脅到學(xué)生的人身安全;再者，此類電源的可拓展性較低。

2 實(shí)現(xiàn)方法

鑒于以上幾點(diǎn)，特提出了一種低壓可拓展式實(shí)驗(yàn)電源平臺(tái)。整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的思路來(lái)源于一些企業(yè)的無(wú)主機(jī)式辦公模式，所有數(shù)據(jù)全部存放于一臺(tái)高性能服務(wù)器，工位只有一個(gè)接收終端和鼠標(biāo)鍵盤(pán)顯示器等，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的集中管理，降低了主機(jī)成本，提升了安全。

2.1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文中所提出拓?fù)錇椋涸谝粋€(gè)集中管理處利用開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)交流220V至直流36V電壓的輸出，此36V直流電壓作為電源母線供至每一桌桌面處導(dǎo)軌插槽，用戶通過(guò)一個(gè)降壓穩(wěn)壓模塊將36V直流電壓降至用戶所需電壓值。

2.2 降壓模塊拓?fù)涞倪x擇

低壓降壓的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，從大類來(lái)看，有隔離降壓模塊和非隔離降壓模塊之分。

在非隔離降壓模塊中，可采用傳統(tǒng)功率三極管串聯(lián)降壓結(jié)構(gòu)，也可采用開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)，它們各具優(yōu)缺點(diǎn)，傳統(tǒng)功率三極管串聯(lián)的結(jié)構(gòu)和原本的實(shí)驗(yàn)電源一樣，都有著低效率、高發(fā)熱量的缺點(diǎn)。非隔離的開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)中，在降壓場(chǎng)合多采用BUCK電源結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)有著高效率低紋波的優(yōu)點(diǎn)，并且同步整流型BUCK電源結(jié)構(gòu)更可以有效地避免續(xù)流二極管上的功率消耗，大大提升工作效率。

在隔離方案中，通常可采用的結(jié)構(gòu)有正激、反激、推挽、半橋、全橋、諧振等結(jié)構(gòu)，但是隔離類型的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中往往需要高頻變壓器來(lái)進(jìn)行能量的傳遞，成本較高，并且制作工藝要求較高，對(duì)于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)說(shuō)，經(jīng)常短路或調(diào)整輸出參數(shù)會(huì)大大增加其故障率。

因此，綜上所述，最終采用高效率結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的同步整流型BUCK降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.3 降壓模塊的設(shè)計(jì)

同步整流型BUCK電源結(jié)構(gòu)相較于BUCK結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，將續(xù)流二極管替換為了MOS管，消除了二極管正向?qū)〞r(shí)的0.7V壓降，將之代換為幾毫歐的導(dǎo)通電阻，這對(duì)于大電流的應(yīng)用場(chǎng)合，效率的提升尤為明顯。

同時(shí)，加入輸入輸出電壓及電流的采樣控制，可實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流、恒功率等多種模式的輸出，并通過(guò)電壓電流采樣運(yùn)算，進(jìn)行輸出電壓電流的實(shí)時(shí)顯示以及進(jìn)行多種保護(hù)模式的設(shè)置。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部署，可大大地縮減實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本支出，提升安全性，以及模塊化可拓展性，電源終端出現(xiàn)故障后，只需要將低成本地替換模塊插入導(dǎo)軌插槽中，即可正常使用，同時(shí)，如果需要多路電壓供電需求，只需插入多個(gè)模塊，即可實(shí)現(xiàn)多種電路不同電壓地應(yīng)用場(chǎng)合。

受限于當(dāng)前條件的制約，此電源平臺(tái)仍需不斷的完善，比如多個(gè)降壓模塊之間級(jí)聯(lián)的問(wèn)題，同一電路中不同電壓電流應(yīng)用的問(wèn)題等，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高質(zhì)低價(jià)的電子元件的不斷普及，相信這些問(wèn)題必將被攻克。

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