一种智能高频开关电源监控模块的设计

一种智能高频开关电源监控模块的设计

  自90年代以来，国家电信部门对通信设备的网络化管理要求逐步加快，要求组成通信网络的各种设备都必须具备智能化和通信的能力，电源设备也不例外[1]。计算机技术的应用，使通信电源成为集计算技术、控制技术、通信技术于一体的高科技产品，使产品的性能、功能大大提高，从而可实现系统的自动测试、自动诊断、自动控制，实现电源系统的遥信、遥测、遥控[2]。因此，高频开关电源也进入了智能化控制阶段。本文设计实现了一种智能高频开关电源的的监控模块。
            
            1、高频开关电源的原理及其特点
               
            智能化高频开关电源具有高度灵活组合、自主监控的特点，尤其是在通信领域，因其具有体积小、噪声低、维护方便又可被纳入通信系统的计算机监控系统等特点，所以运用十分广泛。高频开关电源的电路原理框图如图1所示，它主要由交流配电、整流模块、直流配电模块、充电模块、主监控模块及相关电路组成，其中充电模块和主监控模块具有内置微处理器。此高频开关电源是将220V（或380V）交流电变换成稳定可靠的48V或24V直流电给负载（如程控交换机、光端机等）供电，并给蓄电池组浮充或均衡充电。当交流电源输入中断后，由蓄电池组通过该系统向负载供电，以保证对负荷连续不间断供电。当交流电源恢复正常后，系统自动对蓄电池组进行均充电，对蓄电池大量放电后进行电能的快速补充。

            

            图1 高频开关电源组成框图
            该电源有以下特点：
            ●交流输入电压适应范围宽：三相380±30%（266～494V）,单相220±30%（154～286V）；
            ●采用有源功率因数校正技术，使功率因数≧0.99，整机效率高；
            ●采用PWM边沿谐振技术，一方面减少了开关器件在高频开关过程中的功率损耗，提高了整机效率，使整机效率高达90%以上，另一方面减少了电磁干扰，可将电源系统安装在程控机房内；

            ●系统采用微机控制、汉字显示、键盘操作，便于掌握使用，极大地方便了用户。

            2、智能化高频开关电源主监控模块构成
               
            由于要求这种电源系统具有极高的可靠性，因此能否有效地对它的运行工况进行监视和控制就非常重要。系统主监控模块作为一个独立的模块，可以监控整个电源系统各单元的运行状况，具有对系统的运行参数进行采集、显示及设置的功能。它也可以与外部计算机（一般用PC机即可）进行接口通信，构成本地或远程集中监控系统。当与外部计算机接口通信时，主监控模块称为下位机，外部计算机称为上位机。因此，主监控模块还要能不断接受上位机送来的命令，并根据命令对电源系统进行操作或将电源系统各单元的运行状态及参数反送给上位机，控制各模块的投入和退出，完成人机对话，实现与外部计算机或远端主机的通信。

            2.1 监控模块的工作原理及组成
               
            图2为主监控模块的组成框图[4]。系统主监控模块作为一个独立的模块，可监控整个电源系统的工作状态，控制各模块的投入和退出，完成人机对话。模块由AT89C52单片机、交直流配电参数采集单元、显示与操作单元及串行口通信单元组成。监控模块与整流模块通过RS-485串行通信交换信息，这样可使监控模块的硬件设计不受所监控的整流模块数限制，使得系统内电源模块数目可任意扩充。与上位计算机也采用串行通信方式，串行口通过8250芯片扩展而成，对于本地集中监控，可使用RS-485串行口，对于远地监控，可使用RS-232串行口，并通过调制解调器（MODEM）及电话线路进行通信。系统采用大屏幕LCD和键盘实现本地的人机交互操作。主监控模块检测直流母线电压、电流，当电压或电流大于上限设定值时，便命令整流模块降压限流，并根据各整流模块的工作情况，决定每个模块的退出和投入，从而使整个电源系统工作在稳定的状态下。此外，主监控系统还对电网电压的波动进行检测，同时发出报警信号，并记录故障信息。

            

            图2 监控系统组成框图
               
            交流检测单元主要由三相交流电压检测板、三相显示板等组成。三相交流电压检测板安装在机柜内上部交流配电部位。其功能是将隔离后的市电信号送控制器，由控制器对市电参数进行检测，判断输入的交流电是否“超限”或“缺相”，当“超限”或“缺相”时，由控制器发出告警。转接单元将控制器发出的控制整流器输出电压高低的频率信号送各整流器，将检测到的各整流器的信号送控制器。这些信号包括：控制整流器输出电压高低的频率信号、均流总线的电压信号、各整流器的电流信号、整流器的告警信号。直流检测单元主要包括电池电流检测板和电池保护板。检测负载分路直流断路器是否断开，检测电池分路熔断器是否断开，检测电池分路电流并送控制器。控制器将交流检测单元、转接单元、直流检测单元送来的信号进行检测、显示、告警；控制整流器的工作状态。通过键盘实施状态查询、系统操作、参数设置。

    2.2 控制器的主要功能
            检测：系统交流供电、电池状态、整流器状态、电池电流、主分路电流及故障内容；
            控制：系统开机/关机、均充开/关、整流器开机/关机、电池试验开/关；
            参数设置：系统参数设置，整流器柜数；
            电池参数：均充电压、浮充电压、过压值、欠压值、充电限流值、转换电流等；
            监控参数：设备编号、通讯接口、拨号方式、电话号码及故障回报开/关等；
            通信：通过接口实现三遥，通过故障接口将系统告警信号输出至系统故障监视器。
            3、监控系统软件实现
            3.1 实现的功能
               
            本系统采用集中管理、独立控制的模式，各模块的单片机都有自己独立的控制程序及与监控模块的通信程序。当个别模块出现故障时，不会影响整机运行。主监控模块软件采用模块化结构设计，各种功能都由相应的中断子程序完成。监控模块的软件主要完成以下功能：

            （1） 接收各模块发送的数据；
            （2） 向各模块发送控制命令；
            （3） 人机交互接口。
                监控模块中的主控单片机为主机，整流模块的单片机为从机，相互间采用N、8、1 的10
            位异步通信格式，波特率为4800B。从机发向主机的数据需在主机发出允许命令后才可发出，即被地址码选中的模块，才有权向监控模块发出数据。
            3.2 主监控程序
               
            主监控软件采用模块化结构设计、各种功能都由相应的中断子程序完成。图3所示为主程序流程图。系统的初始化包括MCU内部控制寄存器的初始化，寄存器区及数据区的初始化等。自检包括RAM自检及控制系统各传感器自检。自检通过后，开放中断及PTS，并调用显示初始化子程序。显示系统主菜单可用键盘选择各子菜单，包括运行参数菜单、状态菜单、故障记录菜单及参数设置菜单等。为确保运行安全，参数设置菜单仅供授权的管理维护人员使用，需输入密码才可进行操作。

            

            图3 主程序
               
            本监控系统采用8×4汉字显示，考虑到监控的参数众多，一屏无法全部显示，故采用菜单式操作方法，即选择显示屏显示的菜单信息，在告警模块面板的键盘按下合适的功能按键，系统的微处理器根据按键送来的信息作出反应，实现相应的功能。故按键有数字键及功能键。程序采用树状分支结构，如图4键盘程序流程图所示。

            

            图4 键盘程序流程图
               
            监控软件的核心部分是串口接收中断子程序。该子程序要完成串口通信、数据接收与校验、格式转换、存取、控制等。 

由于监控的数据量较大，对每类数据都要有固定格式，采取检错重发机制，保证数据的正确性。数据处理子程序主要是完成A/D转换，数据比较判断，数字信号输出反馈控制、清中断等。图5是串口接收中断子程序流图。

            

            图5 串口接收中断子程序流程图
            4、系统抗干扰措施
               
            监控模块的性能直接影响整个开关电源的工作，如果抗干扰措施设计考虑不全，一旦干扰窜入监控模块，引发误测、误报，会导致整个系统瘫痪。本系统在设计中采取了硬件抗干扰和软件抗干扰相结合的办法。

            4.1 硬件抗干扰措施
               
            为了提高模拟量的输入阻抗，减少损耗，在进行A/D转换前加入一级电压跟随器，将检测的信号电压转换成电流后，再并一电阻恢复成电压信号，使用高精度的12位双积分A/D转换器ICL7109。为消除数字量的杂波干扰，电路中加入10uF的滤波电容组。整个系统在完成与计算机的串口通信时，采用6N136进行隔离。采用MAX706组成的看门狗电路，提高MCU的抗干扰措施。

            4.2 软件抗干扰措施
               
            主要采用数字滤波和数字调零技术，消除开关电路、A/D转换电路的偏差，对信号进行平滑处理，消除减少干扰。对各类数据规定格式，采取校验、检错重发机制，提高可靠性。大量采用冗余指令，提高软件执行的可靠性。

            5、结束语
               
            智能高频开关电源与电池配接后组成不间断供电系统，可广泛用于邮电通信、水利电力、公安、铁路、计算中心等需要大功率直流电源的场所。采用本文监控模块的开关电源，通过运行试验，能实现“三遥”等功能，维护方便，可靠性高，工作正常，各项指标均能满足要求。