一種智能高頻開關電源監控模塊的設計

? 自90年代以來，國家電信部門對通信設備的網絡化管理要求逐步加快，要求組成通信網絡的各種設備都必須具備智能化和通信的能力，電源設備也不例外[1]。計算機技術的應用，使通信電源成為集計算技術、控制技術、通信技術于一體的高科技產品，使產品的性能、功能大大提高，從而可實現系統的自動測試、自動診斷、自動控制，實現電源系統的遙信、遙測、遙控[2]。因此，高頻開關電源也進入了智能化控制階段。本文設計實現了一種智能高頻開關電源的的監控模塊。
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??????????? 1、高頻開關電源的原理及其特點
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??????????? 智能化高頻開關電源具有高度靈活組合、自主監控的特點，尤其是在通信領域，因其具有體積小、噪聲低、維護方便又可被納入通信系統的計算機監控系統等特點，所以運用十分廣泛。高頻開關電源的電路原理框圖如圖1所示，它主要由交流配電、整流模塊、直流配電模塊、充電模塊、主監控模塊及相關電路組成，其中充電模塊和主監控模塊具有內置微處理器。此高頻開關電源是將220V（或380V）交流電變換成穩定可靠的48V或24V直流電給負載（如程控交換機、光端機等）供電，并給蓄電池組浮充或均衡充電。當交流電源輸入中斷后，由蓄電池組通過該系統向負載供電，以保證對負荷連續不間斷供電。當交流電源恢復正常后，系統自動對蓄電池組進行均充電，對蓄電池大量放電后進行電能的快速補充。

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??????????? 圖1 高頻開關電源組成框圖
??????????? 該電源有以下特點：
??????????? ●交流輸入電壓適應范圍寬：三相380±30%（266～494V）,單相220±30%（154～286V）；
??????????? ●采用有源功率因數校正技術，使功率因數≧0.99，整機效率高；
??????????? ●采用PWM邊沿諧振技術，一方面減少了開關器件在高頻開關過程中的功率損耗，提高了整機效率，使整機效率高達90%以上，另一方面減少了電磁干擾，可將電源系統安裝在程控機房內；

??????????? ●系統采用微機控制、漢字顯示、鍵盤操作，便于掌握使用，極大地方便了用戶。

??????????? 2、智能化高頻開關電源主監控模塊構成
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??????????? 由于要求這種電源系統具有極高的可靠性，因此能否有效地對它的運行工況進行監視和控制就非常重要。系統主監控模塊作為一個獨立的模塊，可以監控整個電源系統各單元的運行狀況，具有對系統的運行參數進行采集、顯示及設置的功能。它也可以與外部計算機（一般用PC機即可）進行接口通信，構成本地或遠程集中監控系統。當與外部計算機接口通信時，主監控模塊稱為下位機，外部計算機稱為上位機。因此，主監控模塊還要能不斷接受上位機送來的命令，并根據命令對電源系統進行操作或將電源系統各單元的運行狀態及參數反送給上位機，控制各模塊的投入和退出，完成人機對話，實現與外部計算機或遠端主機的通信。

??????????? 2.1 監控模塊的工作原理及組成
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??????????? 圖2為主監控模塊的組成框圖[4]。系統主監控模塊作為一個獨立的模塊，可監控整個電源系統的工作狀態，控制各模塊的投入和退出，完成人機對話。模塊由AT89C52單片機、交直流配電參數采集單元、顯示與操作單元及串行口通信單元組成。監控模塊與整流模塊通過RS-485串行通信交換信息，這樣可使監控模塊的硬件設計不受所監控的整流模塊數限制，使得系統內電源模塊數目可任意擴充。與上位計算機也采用串行通信方式，串行口通過8250芯片擴展而成，對于本地集中監控，可使用RS-485串行口，對于遠地監控，可使用RS-232串行口，并通過調制解調器（MODEM）及電話線路進行通信。系統采用大屏幕LCD和鍵盤實現本地的人機交互操作。主監控模塊檢測直流母線電壓、電流，當電壓或電流大于上限設定值時，便命令整流模塊降壓限流，并根據各整流模塊的工作情況，決定每個模塊的退出和投入，從而使整個電源系統工作在穩定的狀態下。此外，主監控系統還對電網電壓的波動進行檢測，同時發出報警信號，并記錄故障信息。

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??????????? 圖2 監控系統組成框圖
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??????????? 交流檢測單元主要由三相交流電壓檢測板、三相顯示板等組成。三相交流電壓檢測板安裝在機柜內上部交流配電部位。其功能是將隔離后的市電信號送控制器，由控制器對市電參數進行檢測，判斷輸入的交流電是否“超限”或“缺相”，當“超限”或“缺相”時，由控制器發出告警。轉接單元將控制器發出的控制整流器輸出電壓高低的頻率信號送各整流器，將檢測到的各整流器的信號送控制器。這些信號包括：控制整流器輸出電壓高低的頻率信號、均流總線的電壓信號、各整流器的電流信號、整流器的告警信號。直流檢測單元主要包括電池電流檢測板和電池保護板。檢測負載分路直流斷路器是否斷開，檢測電池分路熔斷器是否斷開，檢測電池分路電流并送控制器。控制器將交流檢測單元、轉接單元、直流檢測單元送來的信號進行檢測、顯示、告警；控制整流器的工作狀態。通過鍵盤實施狀態查詢、系統操作、參數設置。

??? 2.2 控制器的主要功能
??????????? 檢測：系統交流供電、電池狀態、整流器狀態、電池電流、主分路電流及故障內容；
??????????? 控制：系統開機/關機、均充開/關、整流器開機/關機、電池試驗開/關；
??????????? 參數設置：系統參數設置，整流器柜數；
??????????? 電池參數：均充電壓、浮充電壓、過壓值、欠壓值、充電限流值、轉換電流等；
??????????? 監控參數：設備編號、通訊接口、撥號方式、電話號碼及故障回報開/關等；
??????????? 通信：通過接口實現三遙，通過故障接口將系統告警信號輸出至系統故障監視器。
??????????? 3、監控系統軟件實現
??????????? 3.1 實現的功能
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??????????? 本系統采用集中管理、獨立控制的模式，各模塊的單片機都有自己獨立的控制程序及與監控模塊的通信程序。當個別模塊出現故障時，不會影響整機運行。主監控模塊軟件采用模塊化結構設計，各種功能都由相應的中斷子程序完成。監控模塊的軟件主要完成以下功能：

??????????? （1） 接收各模塊發送的數據；
??????????? （2） 向各模塊發送控制命令；
??????????? （3） 人機交互接口。
??????????????? 監控模塊中的主控單片機為主機，整流模塊的單片機為從機，相互間采用N、8、1 的10
??????????? 位異步通信格式，波特率為4800B。從機發向主機的數據需在主機發出允許命令后才可發出，即被地址碼選中的模塊，才有權向監控模塊發出數據。
??????????? 3.2 主監控程序
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??????????? 主監控軟件采用模塊化結構設計、各種功能都由相應的中斷子程序完成。圖3所示為主程序流程圖。系統的初始化包括MCU內部控制寄存器的初始化，寄存器區及數據區的初始化等。自檢包括RAM自檢及控制系統各傳感器自檢。自檢通過后，開放中斷及PTS，并調用顯示初始化子程序。顯示系統主菜單可用鍵盤選擇各子菜單，包括運行參數菜單、狀態菜單、故障記錄菜單及參數設置菜單等。為確保運行安全，參數設置菜單僅供授權的管理維護人員使用，需輸入密碼才可進行操作。

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??????????? 圖3 主程序
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??????????? 本監控系統采用8×4漢字顯示，考慮到監控的參數眾多，一屏無法全部顯示，故采用菜單式操作方法，即選擇顯示屏顯示的菜單信息，在告警模塊面板的鍵盤按下合適的功能按鍵，系統的微處理器根據按鍵送來的信息作出反應，實現相應的功能。故按鍵有數字鍵及功能鍵。程序采用樹狀分支結構，如圖4鍵盤程序流程圖所示。

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??????????? 圖4 鍵盤程序流程圖
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??????????? 監控軟件的核心部分是串口接收中斷子程序。該子程序要完成串口通信、數據接收與校驗、格式轉換、存取、控制等。?

由于監控的數據量較大，對每類數據都要有固定格式，采取檢錯重發機制，保證數據的正確性。數據處理子程序主要是完成A/D轉換，數據比較判斷，數字信號輸出反饋控制、清中斷等。圖5是串口接收中斷子程序流圖。

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??????????? 圖5 串口接收中斷子程序流程圖
??????????? 4、系統抗干擾措施
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??????????? 監控模塊的性能直接影響整個開關電源的工作，如果抗干擾措施設計考慮不全，一旦干擾竄入監控模塊，引發誤測、誤報，會導致整個系統癱瘓。本系統在設計中采取了硬件抗干擾和軟件抗干擾相結合的辦法。

??????????? 4.1 硬件抗干擾措施
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??????????? 為了提高模擬量的輸入阻抗，減少損耗，在進行A/D轉換前加入一級電壓跟隨器，將檢測的信號電壓轉換成電流后，再并一電阻恢復成電壓信號，使用高精度的12位雙積分A/D轉換器ICL7109。為消除數字量的雜波干擾，電路中加入10uF的濾波電容組。整個系統在完成與計算機的串口通信時，采用6N136進行隔離。采用MAX706組成的看門狗電路，提高MCU的抗干擾措施。

??????????? 4.2 軟件抗干擾措施
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??????????? 主要采用數字濾波和數字調零技術，消除開關電路、A/D轉換電路的偏差，對信號進行平滑處理，消除減少干擾。對各類數據規定格式，采取校驗、檢錯重發機制，提高可靠性。大量采用冗余指令，提高軟件執行的可靠性。

??????????? 5、結束語
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??????????? 智能高頻開關電源與電池配接后組成不間斷供電系統，可廣泛用于郵電通信、水利電力、公安、鐵路、計算中心等需要大功率直流電源的場所。采用本文監控模塊的開關電源，通過運行試驗，能實現“三遙”等功能，維護方便，可靠性高，工作正常，各項指標均能滿足要求。