一种智能化电源的设计
2008-08-05
作者：郑贵林 吴晓儒
摘 要: 首先分析了现代开关电源" title="开关电源">开关电源的优缺点及其发展状况，然后在开关电源的基础上设计了一种新型的带检测和保护功能的智能化电源。其具有抗连续雷电冲击的能力，并配有RS485通信接口，可与上位计算机通信，实现电源的集中监控、集中管理。
关键词: 开关电源 过电压" title="过电压">过电压监测 MODBUS 通信
随着电子技术和电源技术的发展，开关电源以体积小、重量轻、功率大、集成度高、输出组合便利等优点而成为电子电路电源的首选。在实际的工作环境中，特别是在一些工业场所中，电磁环境十分恶劣，常常有异常情况出现，例如过电压、瞬态脉冲冲击波、强电磁辐射等，这些都有可能击毁电源，影响整个系统的工作。本文对以微处理机为核心的“透明”电源检测技术辅以提高开关电源抗过电压、抗干扰性能的手段，设计了一种具有保护和监控功能的开关电源。
1 设计思想
随着电子设备对电源系统要求的日益提高，研究廉价的具有监视、管理供电电源功能的开关电源愈来愈显得必要。本文在综合考虑电源各种技术性能和对自身的安全要求以及开关电源性能的基础上，设计出了一种新型实用的带有过电压检测和保护装置的智能化电源。它具有以下几个特点：
(1)实现了对过电压的检测，并能记录每次过电压的瞬时值和峰值，可启动备用电源供电，实现对电子电路的保护作用。
(2)具有抗冲击能力强、使用寿命长、带液晶屏数字监视的特点，同时通过RS485通信接口与管理计算机通讯能实现“透明”电源的工作和保护等功能。
(3)能实时显示输出电压、电流的大小，过电压的次数、大小以及必要的参数设置信息。
(4)通过接口与后台或远端PC机实现数据传送。
智能化电源的核心由显示板、CPU板、通信板、备用电源板、过电压检测板、键盘、通信转接板组成。装置的关键是实现电压的峰值检测，尤其是过电压的检测。本文提出了一种基于单片机的过电压检测和峰值电压检测方法，实验证明它满足了对检测的快速性和精确性的要求。
2 系统硬件设计
系统硬件框架如图1所示。在正常的情况下，220V的交流输入电压经过整流、滤波、DC/DC变换、稳压电路后可得到一个稳定的输出电压，基本上是一个开关电源；当有过电压时，过电压信号经过过电压检测电路" title="检测电路">检测电路检测和峰值电压保持电路保持，控制电源回路，断开正常工作的交流电路，同时通过计算机启动备用电源工作，以及完成对过电压的瞬时值和峰值的测量。
2.1 过电压检测电路
过电压对于电源来说是一个非常有害的信号，雷电等引起的瞬时高电压如果不加遏制，直接由电源引入RTU（远程终端设备）则会影响其电源模块的正常工作，使各功能模块的工作电压升高而工作不正常，严重时会损坏模块，烧坏元器件(IC)。典型过电压形成的冲击电压脉冲如图2所示。
过电压保护的基本原理是在瞬态过电压发生的时侯(微秒或纳秒级)，通过过电压检测电路对这个信号进行检测。过电压检测电路中主要的元件是压敏电阻。压敏电阻相当于很多串并联在一起的双向抑制二极管。电压超过箝位电压时，压敏电阻导通；电压低于箝位电压时，压敏电阻截止。这就是压敏电阻的电压箝位作用。压敏电阻工作极为迅速，响应时间在纳秒级。
过电压检测电路原理图如图3所示。当有过电压信号产生时，压敏电阻被击穿，呈现低阻值甚至接近短路状态，这样在电流互感器的原级产生一个大电流，通过线圈互感作用在副级产生一个小电流，再通过精密电阻把电流信号转变为电压信号；这个信号输入到电压比较器LM393后，电压比较器LM393输出高电平，经过非门A输出的控制脉冲1控制电源回路，断开开关电源电路，启动备用电源。控制脉冲2 送到单片机的中断口，单片机控制回路启动A/D转换，采样过电压的瞬时值。
2.2 峰值电压采样保持电路
峰值电压采样保持电路如图4所示。峰值电压采样保持电路由一片采样保持器芯片LF398和一块电压比较器LM311构成。LF398的输出电压和输入电压通过LM311进行比较，当Vi>V0时，LM311输出高电平，送到LF398的逻辑控制端8脚，使LF398处于采样状态；当Vi达到峰值而下降时，Vi
2.3 单片机控制回路
单片机控制回路如图5所示。它的主要功能是完成对过电压的瞬时值和峰值的检测、过电压次数的检测、电源输出电压和电流的检测，并通过键盘的操作显示出各个检测值的大小；同时通过485接口和上位机实现通讯，在有过电压的时候通过控制回路启动备用电源，实现对电源本身的保护。
3 软件设计
系统软件主要由主程序" title="主程序">主程序、键盘扫描子程序" title="子程序">子程序、显示子程序和通信子程序等组成。图6是主程序流程图。
主程序由初始化、看门狗置位、键盘扫描子程序、中断子程序组成。主程序主要进行分配内存单元、设置串行口等器件的工作方式和参数，为系统正常工作创造条件。在主程序运行的过程中，通过按键可以显示检测的各个量的值；同时在系统有过电压和干扰信号产生时，液晶显示屏会显示提示信息，使电源实现“透明”，便于电源的管理。在本系统中，键盘采用的是由P1口组成的3×3行列矩阵式键盘。由于键盘程序的技术已经相当成熟，所以具体过程不做介绍。
子程序中值得一提的是通讯子程序。为了实现与目前应用较为广泛的MODICON系列测控系统的接口，本系统选用了控制系统中较为通用的MODBUS协议进行通讯。MODBUS协议采用主－从通信方式，它规定把各个报文封装成对应的一帧数据，以帧为单位传输数据。主站发送的报文包括接收者地址、任务、任务数据、校验方式等内容；从站响应信息报文包括从站地址、所执行的任务、执行任务得到的数据、校验方式等内容。MODBUS协议有两种报文组成结构（又称传输模式），分别是ASCII（美国信息交换码）模式和RTU模式。同一MODBUS总线网络上的所有站点设备都必须使用相同的模式和对应的串口通信参数。本次设计采用的是RTU报文传送方式。RTU模式的报文字符由8位二进制编码组成，本设计方案的每个字符包含1位起始位、8位数据位和2位停止位（无奇偶校验）。 RTU模式的报文字符必须以连续数据流的形式传送，每帧报文以至少3.5个字符时间的停顿间隔开始传输，同样以至少3.5个字符时间的停顿标志报文传输的结束。通讯程序已经发展得比较成熟，具体的框图省去。通讯程序软件运行时随时检测串行口，若证实为上位机通讯请求，则发应答信号，实现 “握手”，然后按上位机要求发送或接收数据。发送时，将本机检测的电压值、电流值向上发送，接收时则将上位机发来的系统设置参数进行差错判断后放入本机原设置单元，然后再由软件根据设置值进行相应处理。
经过电路板的设计、调试和程序的调试，证明了“透明”电源的可靠性。在调试的过程中做了大量的模拟过电压和冲击脉冲的试验来检测系统的性能。通过试验证明过电压保护电路和峰值检测电路可以迅速准确地捕捉过电压和冲击脉冲，并且电路的反映速度很快，可以检测到纳秒级的干扰信号。这些性能很好地满足了工业的需要，使得在有过电压和冲击脉冲产生的时候系统可以有效地保护电子电路；同时通过单片机和液晶显示屏可以实时显示这个电源的工作情况和性能，达到了“透明”电源的效果。而且在本设计中，电源系统通过通讯接口可以实现计算机在远程对整个电源监控，便于电源的管理，实现了“遥控”的性能。
参考文献
1周志敏.开关电源实用技术设计与应用. 北京:人民邮电出版社，1997
2 张 惠，冯 英.电源大全. 成都:西南交通大学出版社，1995
3 过电压及保护. 武汉水利电力学院《过电压及保护》编写组,1992
4 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社,1990
5 Modicon Modbus Protocol Reference Guide.Modicon Inc,1996