摘要:基于反激式单片开关电源的设计方案，设计了多路数字绝缘电阻测试仪使用的250V直流电源。设计了基于TL431和电阻网络的精密反馈电路，以满足电源输出电压幅值高，精度高的要求。介绍了电路的工作原理以及主要参数的确定方法。实验结果表明，电源达到了设计目标，满足多路数字绝缘电阻测试仪测量精度的要求。
0引言
随着现代电气技术的发展以及电气设备安全运行的要求，绝缘电阻测试成为电气设备测试的一项重要内容。传统的绝缘电阻测量主要是由兆欧表来完成，其中以手摇式兆欧表常见，兆欧表由表针指示读数，量程范围小、误差大，并且体积大，使用不方便，需要人工手动操作[}}.z,。对于多路绝缘电阻的检测来说，使用兆欧表的工作量更大。另外兆欧表也不能实时地监视被检测的绝缘电阻值。而多路数字绝缘电阻测试仪采用在线检测的方法，可以实时地了解多个用电设备的绝缘情况，并根据绝缘电阻状况给出报警信号，提高了系统的工作效率和测量精度。
多路数字绝缘电阻测试仪是结合微处理器技术而发展起来的一种新型绝缘电阻测试设备，其主要结构如图1所示，主要包括直流电源、绝缘电阻通道选择、量程转换、AD采样电路、控制电路、LCD显示模块等几分。其基本检测原理是，220V交流电压输入，通过直流电源转换为250V直流电压。控制电路通过检测通道控制选择待测的绝缘电阻，并通过量程转换控制在量程电阻网络中选择合适的量程电阻。量程电阻上产生合适的压，通过A/D采样隔离之后，送入控制电路进行计算，得到绝缘电阻值。最后，LCD屏显示绝缘电阻值和报警息。本文主要介绍多路数字绝缘电阻测试仪中使用的直流电源的设计。1直流电源设计方案 根据课题的具体求，绝缘电阻测量范围是0 ^-20M }，检测精度为10%，且当绝缘电阻小于1 Ok }和处于10^1OOk}之间时，则进行报警，因此对于绝缘电阻低的时候，系统需要更高的检测精度，以防止误报警。正常情况下，绝缘电阻阻值在兆欧级，因此直流电源功率并不大。为了防止被检测的绝缘电阻过小而
导致电源输出电流过大，在电源输出端串联一个电阻作为电源内阻，以限制输出电流。综合上面的考虑，选择反激式单片开关电源作为直流电源的设计方案[[3]
1.1基本原理
本课题设计的反激式单片开关电源采用P1公司TOP247Y芯片作为PWM控制芯片[[4]，其原理图如图2所示。
TOP247Y芯片将高压功率MOSFET, PWM控制、故障保护和其他控制电路高性价比地集成在单片CMOS芯片上。该芯片的优点有:在启动时消除过冲和降低元件应力的软启动、减小EMI的频率抖动、欠压保护和过压关断、可编程限流和的Eco Smart节能技术。这些技术和特点大大简化了电路的设计。
电源的工作原理:交流输入电源经过二极管桥式整流后，由直流滤波电容滤波后得到直流电压。通过高频变压器的原边和集成PWM控制开关芯片，将直流电压转化为脉冲电压。高频变压器副边输出的脉冲电压经过二管整流，然后通过输出滤波器滤波后得到系统要求的输出电压。输出电压通过反馈网络和光祸，给开关芯片提供反馈电流，以调整PWM波的占空比，从而可以控制系统的输出电压稳定在要求的电压值上。
1.2反馈电路设计
根据系统需要，电源输出为250V直流电压。同时要求电源的负载调整率低，纹波小。另一方面，数字绝缘电阻测试仪要实现多路巡检的目的，绝缘电阻的检测范围是O}OM}，电源的负载在不断变化中，且变化范围比较大，因此要求直流电源响应比较迅速。
由于直流输出电压为250V，因此反馈电路并不直接采用图1中的形式。结合负载调整率低的要求，采用了TL,431稳压芯片构成精密的反馈电路。反馈电路结构如图3所示。其工作原理是:电阻R, . RZ. R3 .凡构成电阻网络。当R2上分压超过2.5V，且TL,431输入电流超过SO},A时，TL,431的三极管导通。这时光祸PC817A的发光二极管有电流通过，其电流由直流输出电压和电阻R3.凡的阻值决定。光祸导通后，其三极管也有电流过其值由I。表示。I。与光祸PC817A的发光二极管流过的电流存在一定的比例关系。而I}就是反馈到TOP247Y芯片的控制端(C)的电流。TOP芯片根据I。的大小调整PWM波的占空比，从而控制变压器的输出电压，最终控制电源的直流输出电压。
TL,431用于限制电压。参考端的输入电流最小为SO},A时，且参考端的电压保持为2.5 V才能保证三极管的导通。这时光祸PC817A才有电流经过并导通，并将光祸的三极管流过的电流反馈到TOP247Y芯片的控端。
电阻网络中的电阻R, . Rz. R3 .凡由下式求得。 Vd} ( min ) =R, ( 2.5 }Rz +5 X10- 5 } +2.5 (1) Va} -Rs } I} }r+ ( V } +Vz ) }Ra]+V i +Vz(2)式(2)中r是光祸PC817A的电流传输比，V，是光祸二极管的压降，从是TL,431的三极管的压降。
开关电源的负载调整率为业%，这时直流电压的范围在245}255V，也就是说Vd} (min )=245V，代入式(1)，取R,=1M}，可以求得Rz=13k}o
根据实际测量，正常工作情况下，V, +VZ=4.6V,I} 2.6mA, r=99%，代入式(2)，取R3 =80k }，可以求得R=10K
2实验结果及分析
下面给出数字绝缘电阻测试仪在运行过程中直流电源的一些实验波形。
图4为输出短路时(电源输出限流电阻为Slk卿输出电压波形。从输出电压波形可以看出，满载(输出短路)时电压为245 V，在测试的绝缘电阻范围在0 -20M }之内，直流电压的波动在SV以内，也就是负载调整率为2%0
图5是输出电压的纹波波形。由图可以看出，直流输出电压的纹波峰峰值为2.2V，相对于直流输出电压250V来说，其纹波小于1%0
本文所设计的直流电源已经在多路数字绝缘电阻测试仪中使用。表1给出用绝缘电阻测试仪10次测量三个电阻的结果。从表中可以看出，对于电阻7.5k }来说，检测偏差为7.76k }，误差为3.47%。对于电阻56k }来说，检测偏差为5 8.9k}，误差为5.18%。对于电阻120k }来说，检测
偏差为123.8 k }，误差为3.17% o。综合上述三组检测结果可以看出，每次测量的绝缘电阻值都围绕实际绝缘电阻值的周围，而且其误差都在测量精度范围之内。因此，多路绝缘电阻测试仪的测量精度满足设计要求，所设计的直流电源满足需要。
