第一部分：设计理念与核心功能

一个好的维修测试仪，核心目标不是“修复”，而是“诊断”和“保护”，它应该能模拟开关电源的正常工作状态，并在出现异常时提供清晰、安全的指示,帮助维修人员快速定位问题。

核心功能清单：

1. 安全上电/断电：

   • 软启动： 模拟市电缓慢上升的过程，避免开机瞬间的大电流冲击损坏元器件,这是最重要的功能之一。
   • 延时启动： 按下开关后，等待几秒钟再输出电压,给电容充电和电路稳定留出时间。
   • 一键急停： 在紧急情况下（如冒烟、异响）能瞬间切断输出。

2. 电压/电流监测与显示：

   • 输入电压监测： 实时显示接入的AC或DC电压。
   • 输出电压监测： 实时显示开关电源的输出电压。
   • 输出电流监测： 实时显示输出电流,并能设置限流值。
   • 过压/过流保护： 当输出电压或电流超过预设值时,能自动切断输出并报警。

3. 可调负载（电子负载）：

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 这是测试仪的“心脏”，它能模拟真实的用电设备,消耗开关电源的功率。
   • 恒流模式： 维持电流恒定,用于测试电源的带载能力和稳定性。
   • 恒阻模式： 模拟固定电阻负载。
   • 恒功率模式： 模拟真实电子设备的负载特性（更高级）。

4. 辅助功能：

   • 电压可调： 对于需要测试多电压输出的电源，或者需要“假负载”来启动某些电源（如没有负载不工作的电源）,需要一个可调的DC输入来模拟主电压。
   • 短路测试： 带有保护的短路测试功能,用于测试电源的短路保护响应。
   • 风扇控制： 根据负载或温度自动控制散热风扇。

第二部分：硬件方案选择（从易到难）

根据你的电子技术水平和预算,可以选择不同的实现方案。

纯模拟/简单数字方案（适合初学者）

这个方案主要使用运放、比较器、三极管等分立元件，成本低，原理清晰,但功能相对有限。

• 核心元件：

  
  （图片来源网络，侵删）
  • 软启动电路： 使用大电容和电阻组成RC延时电路,控制MOSFET或继电器的导通。
  • 电压监测： 使用高精度电阻分压,然后连接到电压表头或简单的数显电压模块。
  • 电流监测： 使用康铜丝或电流采样电阻，将电流信号转换为电压,再用运放放大后送入电压表。
  • 电子负载： 使用功率MOSFET作为可变电阻，通过一个运放控制电路，改变MOSFET的栅极电压，从而改变其导通电阻，实现恒流/恒压控制。
  • 保护电路： 使用电压比较器（如LM393）将监测到的电压/电流与参考电压（由电位器设定）比较，比较器输出触发三极管,驱动继电器断开输出。

• 优点： 成本极低，原理直观,是学习电源电路的好机会。

• 缺点： 功能单一，精度不高，调试复杂,无法实现数字显示和智能控制。

基于Arduino/STM32单片机的方案（强烈推荐，性价比最高）

这是目前最主流、功能最均衡的DIY方案，单片机负责逻辑控制、数据处理和显示,外围电路负责功率处理。

• 核心元件：

  • 主控MCU： Arduino Uno/Nano (简单) 或 STM32F103 (性能更强)。
  • 显示模块： 0.96寸OLED屏（I2C接口）或1602 LCD屏。
  • 电压/电流采样：
    • 电压： 电阻分压后，输入到MCU的ADC引脚,注意ADC的参考电压和输入范围。
    • 电流： 使用霍尔电流传感器（如ACS712）或高精度运算放大器+采样电阻方案，ACS712更简单，但精度和线性度稍差；运放方案精度高,但需要自己设计电路。
  • 电子负载核心： 使用功率MOSFET（如IRF540N, IRF3205, IRLZ44N等）作为功率开关，MCU通过DAC或PWM+运放来精确控制MOSFET的栅极电压,从而精确控制电流。
  • 驱动与保护：
    • 继电器： 用于主回路的通断控制,MCU通过三极管驱动继电器。
    • MOSFET驱动： 如果用PWM直接驱动MOSFET，建议加一个MOSFET驱动芯片（如IR2104）以提高开关速度和效率。
  • 用户输入： 几个按键用于设置电压、电流限值，启动/停止等。

• 优点： 功能强大（可实现所有核心功能），精度高，人机交互友好（数字显示），编程灵活,成本适中。

• 缺点： 需要一定的编程基础（C/C++）。

基于专用电源控制芯片的方案（进阶）

这个方案更接近专业设备的实现方式,性能和稳定性最好。

• 核心元件：

  • 电子负载核心： 使用专用电子负载芯片，如LT3080（线性可调恒流源）或LM5116等 buck 控制器搭建的开关电子负载。
  • 主控MCU： 仍然使用STM32等，负责读取数据、控制显示、处理用户指令。
  • 其他： 方案二中的传感器、显示、按键等。

• 优点： 性能卓越，效率高（尤其是开关电子负载），控制精确,稳定性好。

• 缺点： 电路设计复杂，成本较高,需要深厚的电源设计知识。

第三部分：基于Arduino的实现方案详解（以方案二为例）

这是最适合大多数爱好者的方案,下面我们详细拆解它的制作步骤。

硬件清单

电路设计思路

• 输入/电压采样：

  • AC输入： 先用变压器降压，再整流滤波得到低压DC，或者直接用隔离的AC-DC电源模块,安全第一！
  • DC输入： 直接接入。
  • 采样： 使用高阻值电阻（如两个100kΩ）分压，将高电压（如30V）降到5V以内，供ADC读取。V_adc = V_in * (R2 / (R1+R2))。

• 电流采样：

  • 将ACS712的信号输出引脚直接连接到Arduino的A0引脚，ACS712会输出一个与电流成正比的电压（在0A时为2.5V，每1A对应66mV）。

• 电子负载电路：

  • 将待测电源的正极连接到MOSFET的漏极。
  • 将MOSFET的源极连接到待测电源的负极,同时也是测试仪的公共地。
  • 将Arduino的PWM引脚（如D9）通过一个电阻（如1kΩ）连接到MOSFET的栅极。
  • 原理： Arduino输出PWM信号，通过简单的RC滤波（或运放积分）变成一个稳定的直流电压，加在MOSFET的G-S极之间，这个电压越高，MOSFET导通程度越深，等效电阻越小，流过的电流越大，通过PID算法，可以精确控制这个电压,实现恒流。

• 控制与显示：

  • 继电器控制线连接到Arduino的数字引脚（如D2）。
  • 按键连接到数字引脚（如D3, D4, D5）,启用内部上拉电阻。
  • OLED的SDA, SCL引脚连接到Arduino的I2C引脚（A4, A5）。

软件逻辑（Arduino伪代码）

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
// 定义引脚
const int relayPin = 2;
const int mosfetPin = 9; // PWM pin
const int currentSensePin = A0;
const int voltageSensePin = A1;
const int buttonStart = 3;
const int buttonStop = 4;
// 定义变量
float voltage = 0.0;
float current = 0.0;
float power = 0.0;
float setVoltage = 12.0; // 目标输出电压
float setCurrent = 2.0;   // 目标输出电流
bool isRunning = false;
// OLED显示屏对象
Adafruit_SSD1306 display(OLED_RESET);
void setup() {
  pinMode(relayPin, OUTPUT);
  pinMode(mosfetPin, OUTPUT);
  pinMode(buttonStart, INPUT_PULLUP);
  pinMode(buttonStop, INPUT_PULLUP);
  Serial.begin(9600);
  display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C);
  display.clearDisplay();
  // 初始状态，继电器断开，MOSFET关闭
  digitalWrite(relayPin, LOW);
  analogWrite(mosfetPin, 0); // PWM值为0，关闭MOSFET
}
void loop() {
  // 1. 读取按键
  if (digitalRead(buttonStart) == LOW) {
    // 软启动逻辑：逐渐增加PWM值
    for (int i = 0; i <= 255; i++) {
      analogWrite(mosfetPin, i);
      delay(20); // 调整软启动速度
    }
    digitalWrite(relayPin, HIGH); // 闭合继电器，接通主回路
    isRunning = true;
    delay(100); // 防抖
  }
  if (digitalRead(buttonStop) == LOW) {
    digitalWrite(relayPin, LOW); // 断开继电器
    isRunning = false;
    // 软关断逻辑
    for (int i = 255; i >= 0; i--) {
      analogWrite(mosfetPin, i);
      delay(20);
    }
    delay(100); // 防抖
  }
  // 2. 采样电压和电流
  voltage = readVoltage();
  current = readCurrent();
  power = voltage * current;
  // 3. 保护逻辑
  if (isRunning && (voltage > setVoltage * 1.2 || current > setCurrent * 1.2)) {
    // 触发过压/过流保护
    handleProtection();
  }
  // 4. 更新显示
  updateDisplay();
  delay(100); // 主循环延时
}
// --- 函数定义 ---
float readVoltage() {
  int adcValue = analogRead(voltageSensePin);
  // ... 根据分压比和ADC参考电压计算实际电压
  return calculatedVoltage;
}
float readCurrent() {
  int adcValue = analogRead(currentSensePin);
  // ... 根据ACS712的灵敏度计算实际电流
  return calculatedCurrent;
}
void updateDisplay() {
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(1);
  display.setTextColor(WHITE);
  display.setCursor(0,0);
  display.print("V: "); display.print(voltage); display.println("V");
  display.print("I: "); display.print(current); display.println("A");
  display.print("P: "); display.print(power); display.println("W");
  if (isRunning) {
    display.println("Status: ON");
  } else {
    display.println("Status: OFF");
  }
  display.display();
}
void handleProtection() {
  // 保护动作：立即关断
  digitalWrite(relayPin, LOW);
  isRunning = false;
  analogWrite(mosfetPin, 0);
  // 显示报警信息
  display.clearDisplay();
  display.setCursor(0,0);
  display.println("!!! PROTECTION !!!");
  display.display();
  while(1); // 死循环，等待手动复位
}

制作与调试

1. PCB设计： 强烈建议使用洞洞板或自己绘制PCB，合理布局，高压区和低压区分开,大电流路径要粗短。
2. 焊接： 先焊接小元件，再焊大功率元件（MOSFET、继电器、散热片）。
3. 调试：
   • 先不接功率部分！ 先只调试控制部分：确保OLED能正常显示,按键能被正确识别。
   • 单独测试电子负载： 接一个低压直流电源（如12V 5A电源适配器），缓慢调节PWM，用万用表测量电流,看是否能线性变化。
   • 整机联调： 小心操作，逐步提高电压,测试各项功能。

第四部分：安全须知（极其重要！）

1. 隔离！隔离！隔离！ 测试仪的输入端和待测电源的输入端都可能带市电，有致命危险，所有低压控制电路（Arduino部分）必须与高压部分（输入端）通过光耦或变压器进行良好隔离,外壳必须是绝缘的。
2. 散热： 功率MOSFET是发热大户，必须配备足够大的散热器，在测试大功率时,最好再加一个风扇强制散热。
3. 保险丝： 在输入端必须安装合适的保险丝,作为最后的电流保护。
4. 使用隔离变压器： 如果条件允许，维修时最好使用隔离变压器，可以切断地线环路,增加一级安全保障。
5. 单手操作： 测量时，尽量只用一只手操作，另一只手插在口袋里,避免双手同时接触不同电位的点。

通过这个项目，你不仅能得到一个强大的维修工具，更能深入理解开关电源的工作原理和测试方法，祝你制作顺利,维修无忧！