一种小型可拓展式实验电源平台的设计

冯梦雨

【摘 要】在各高校实验室中，经常可以见到一些大体积低效率的实验电源，这类电源内部多为纯模拟电路结构，实现降压输出。从上世纪末到目前为止，这类电源仍活跃于各大电子类高校中，为了提高电源效率，提升安全性以及可拓展性，本文提出了一种电子基础类实验室中实验电源的替代方案，采用此方案可以大大缩减实验电源的成本，降低学生误操作带来的危险系数，减小实验电源设备的体积，提升电源终端的便捷性及可拓展性等。

【关键词】实验电源;可拓展;电源平台;集中管理

中图分类号： O6-3 文献标识码： A 文章编号： 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

在我们的日常生活中，处处离不开电源，那么电源是什么呢？电源又在我们的生活中扮演着什么样的角色？在早期科技比较落后时，我们所说的电源通常是指能提供电能的装置，比如电网里的电能、蓄电池等。但是在电力电子技术高速发展的今天，我们所说的电源早已经不仅仅是产生或提供电能的设备装置了，而是一种能够满足我们日常生活生产所需的一种电能变换的电路结构，比如各种电源适配器、逆变器、电压电流变换器、各类驱动器等。可见电源已经深深地和我们的生活紧密融合，变得密不可分，其重要性不言而喻。

电源在各大电子技术类的高校中也非常常见，在一些电子基础实验室中，通常可以看到在每张实验桌上摆放有一台体积庞大的实验电源，在电子技术飞速发展的今天，这类纯模拟电路元件打造电源其实早已有了更好的替代品，比如普通开关电源、高频数字电源等。

1 理念与思路

经过多个电子类高校的调研，发现目前实验室中所采用的电源仍旧式是比较古老的模拟电源，此类电源主要工作原理为：将220V工频交流电先通过一个大体积多路输出的变压器降为多级低压交流电，经过整流滤波后再通过运算放大器控制功率三极管消耗掉多余的能量，输出我们所需的直流电压或电流。这种结构的优点较为明显，可以大大地提升输出电压的稳定性，输出电压纹波可以控制在一个很小的范围。但缺点也显而易见，由于其主要拓扑采用了串联分压的结构，导致了一部分功率的损耗，尤其是在输入输出电压差值较大的情况下，输出电流越大，在功率三极管上损耗的功率也就越多，这就导致功率三极管上会产生很大的热量，需要较大体积的散热片以及散热风扇来进行散热，确保功率三极管处于安全工作温度范围内。

综合来看，现有情况是：每个实验台摆放一台体积较大的电源，占用空间和加大了成本的投入;其次采用220V供电，对于一些试验场景会带来一定的危险，威胁到学生的人身安全;再者，此类电源的可拓展性较低。

2 实现方法

鉴于以上几点，特提出了一种低压可拓展式实验电源平台。整个拓扑结构的思路来源于一些企业的无主机式办公模式，所有数据全部存放于一台高性能服务器，工位只有一个接收终端和鼠标键盘显示器等，实现了数据的集中管理，降低了主机成本，提升了安全。

2.1 整体系统结构

本文中所提出拓扑为：在一個集中管理处利用开关电源实现交流220V至直流36V电压的输出，此36V直流电压作为电源母线供至每一桌桌面处导轨插槽，用户通过一个降压稳压模块将36V直流电压降至用户所需电压值。

2.2 降压模块拓扑的选择

低压降压的拓扑结构有很多种，从大类来看，有隔离降压模块和非隔离降压模块之分。

在非隔离降压模块中，可采用传统功率三极管串联降压结构，也可采用开关电源结构，它们各具优缺点，传统功率三极管串联的结构和原本的实验电源一样，都有着低效率、高发热量的缺点。非隔离的开关电源结构中，在降压场合多采用BUCK电源结构，此类结构有着高效率低纹波的优点，并且同步整流型BUCK电源结构更可以有效地避免续流二极管上的功率消耗，大大提升工作效率。

在隔离方案中，通常可采用的结构有正激、反激、推挽、半桥、全桥、谐振等结构，但是隔离类型的电源拓扑结构中往往需要高频变压器来进行能量的传递，成本较高，并且制作工艺要求较高，对于实验平台来说，经常短路或调整输出参数会大大增加其故障率。

因此，综上所述，最终采用高效率结构简单的同步整流型BUCK降压拓扑结构。

2.3 降压模块的设计

同步整流型BUCK电源结构相较于BUCK结构来说，将续流二极管替换为了MOS管，消除了二极管正向导通时的0.7V压降，将之代换为几毫欧的导通电阻，这对于大电流的应用场合，效率的提升尤为明显。

同时，加入输入输出电压及电流的采样控制，可实现恒压、恒流、恒功率等多种模式的输出，并通过电压电流采样运算，进行输出电压电流的实时显示以及进行多种保护模式的设置。

3 结束语

通过这样的系统结构部署，可大大地缩减实验室建设成本支出，提升安全性，以及模块化可拓展性，电源终端出现故障后，只需要将低成本地替换模块插入导轨插槽中，即可正常使用，同时，如果需要多路电压供电需求，只需插入多个模块，即可实现多种电路不同电压地应用场合。

受限于当前条件的制约，此电源平台仍需不断的完善，比如多个降压模块之间级联的问题，同一电路中不同电压电流应用的问题等，隨着电力电子技术的发展，高质低价的电子元件的不断普及，相信这些问题必将被攻克。

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