一種智能化電源的設計

摘要：首先分析了現代開關電源的優缺點及其發展狀況，然后在開關電源的基礎上設計了一種新型的帶檢測和保護功能的智能化電源。其具有抗連續雷電沖擊的能力，并配有RS485通信接口，可與上位計算機機通信，實現電源的集中監控、集中管理。

關鍵詞：開關電源 過電壓監測 MODBUS 通信

隨著電子技術和電源技術的發展，開關電源以體積小、重量輕、功率大、集成度高、輸出組合便利等優點而成為電子電路電源的首選。在實際的工作環境中，特別是在一些工業場所中，電磁環境十分惡劣，常常有異常情況出現，例如過電壓、瞬態脈沖沖擊波、強電磁輻射等，這些都有可能擊毀電源，影響整個系統的工作。本文對以微處理機為核心的“透明”電源檢測技術輔以提高開關電源抗過電壓、抗干擾性能的手段，設計了一種具有保護和監控功能的開關電源。



1 設計思路

隨著電子設備對電源系統要求的日益提高，研究廉價的具有監視、管理供電電源功能的開關電源愈來愈顯得必要。本文在綜合考慮電源各種技術性能和對自身的安全要求以及開關電源性能的基礎上，設計出了一種新型實用的帶有過電壓檢測和保護裝置的智能化電源。它具有以下幾個特點：

（1）實際了對過電壓的檢測，并能記錄每次過電壓的瞬時值和峰值，可啟動備用電源供電，實現對電子電路的保護作用。

（2）具有抗沖擊能力強、使用壽命長、帶液晶屏數字監視的特點，同時通過RS485通信接口與管理計算機通訊能實現“透明”電源的工作和保護等功能。

（3）能實時顯示輸出電壓、電流的大小，過電壓的次數、大小以及必要的參數設置信息。

（4）通過接口與后臺或遠端PC機實現數據傳送。



智能化電源的核心由顯示板、CPU板、通信板、備用電源板、過電壓檢測板、鍵盤、通信轉接板組成。裝置的關鍵是實現電壓的峰值檢測，尤其是過電壓的檢測。本文提出了一種基于單片機的過電壓檢測和峰值電壓檢測方法，實驗證明它滿足了對檢測的快速性和精確性的要求。

2 系統硬件設計

系統硬件框架如圖1所示。在正常的情況下，220V的交流輸入電壓經過整流、濾波、DC/DC變換、穩壓電路后可得到一個穩定的輸出電壓，基本上是一個開關電源；當有過電壓時，過電壓信號經過過電壓檢測電路檢測和峰值電壓保持電路保持，控制電源回路，斷開正常工作的交流電路，同時通過計算機啟動備用電源工作，以及完成對過電壓的瞬時值和峰值的測量。

2.1 過電壓檢測電路

過電壓對于電源來說是一個非常有害的信號，雷電等引起的瞬時高電壓如果不加遏制，直接由電源引入RTU（遠程終端設備）則會影響其電源模塊的正常工作，使各功能模塊的工作電壓升高而工作不正常，嚴重時會損壞模塊，燒壞元器件（IC）。典型過電壓形成的沖擊電壓脈沖如圖2所示。

過電壓保護的基本原理是在瞬態過程電壓發生的時侯（微稱或納秒級），通過過電壓檢測電路對這個信號進行檢測。過電壓檢測電路中主要的元件是壓敏電阻。壓敏電阻相當于很多串并聯在一起的雙向抑制二極管。電壓超過箝位電壓時，壓敏電阻導通；電壓低于箝位電壓時，壓敏電阻截止。這就是壓敏電阻的電壓箝位作用。壓敏電阻工作極為迅速，響應時間在納秒級。




過電壓檢測電路原理圖如圖3所示。當有過電壓信號產生時，壓敏電阻被擊穿，呈現低阻值甚至接近短路狀態，這樣在電流互感器的原級產生一個大電流，通過線圈互感作用在副級產生一個小電流，再通過精密電阻把電流信號轉變為電壓信號；這個信號輸入到電壓比較器LM393后，電壓比較器LM393輸出高電平，經過非門A輸出的控制脈沖1控制電源回路，斷開開關電源電路，啟動備用電源。控制脈沖2送到單片機的中斷中，單片機控制回咱啟動A/D轉換，采樣過電壓的瞬時值。

2.2 峰值電壓采樣保持電路

峰值電壓采樣保持電路如圖4所示。峰值電壓采樣保持電路由一片采樣保持器芯片LF398和一塊電壓比較器LM311構成。LF398的輸出電壓和輸入電壓通過LM311進行比較，當Vi>V0時，LM311輸出高電平，送到LF398的邏輯控制端8腳，使LF398處于采樣狀態；當Vi達到峰值而下降時，Vi


2.3 單片機控制回路

單片機控制回路如圖5所示。它的主要功能是完成對過電壓的瞬時值和峰值的檢測、過電壓次數的檢測、電源輸出電壓和電流的檢測，并通過鍵盤的操作顯示出各個檢測值的大小；同時通過485接口和上位機實現通訊，在有過電壓的時候通過控制回路啟動備用電源，實現對電源本身的保護。

3 軟件設計

系統軟件主要由主程序、鍵盤掃描子程序、顯示子程序和通信子程序等組成。圖6是主程序流程圖。

主程序由初始化、看門狗置位、鍵盤掃描子程序、中斷子程序組成。主程序主要進行分配內存單元、設置串行口等器件的工作方式和參數，為系統正常工作創造條件。在主程序運行的過程中，通過按鍵可以顯示檢測的各個量的值；同時在系統 過電壓和干擾信號產生時，液晶顯示屏會顯示提示信息，使電源實現“透明”，便于電源的管理。在本系統中，鍵盤采用的是由P1口組成的3×3行列矩陣式鍵盤。由于鍵盤程序的技術已經相當成熟，所以具體過程不做介紹。

圖5




子程序中值得一提的是通訊子程序。為了實現與目前應用較為廣泛的MODICON系列測控系統的接口，本系統選用了控制系統中較為通用的MODBUS協議進行通訊。MODBUS協議采用主-從通信方式，它規定把各個報文封裝成對應的一幀數據，以幀為單位傳輸數據。主站發送的報文包括接收者地址、任務、任務數據、校驗方式等內容；從站響應信息報文包括從站地址、所執行的任務、執行任務得到的數據、校驗方式等內容。MODBUS協議有兩種報文組成結構（又稱傳輸模式），分別是ASCII（美國信息交換碼）模式和RTU模式。同一MODBUS總線網絡上的所有站點設備都必須使用相同的模式和對應的串口通信參數。本次設計采用的是RTU報文傳送方式。RTU模式的報文字符由8位二進制編碼組成，本設計方案的每個字符包含1位起始位、8位數據位和2位停止位（無奇偶校驗）。RTU模式的報文的報文字符必須以連續數據流的形式傳送，每幀報文以至少3.5個字節時間的停頓間隔開始傳輸，同樣以至少3.5個字符時間的停頓標志攝文傳輸的結束。通訊程序已經發展得比較成熟，具體的框圖省去。通訊程序軟件運行時隨時倘中行口，若證實為上位機通訊請求，則發應答信號，實現“握手”，然后按上位機要求發送或接收數據。發送時，將本機檢測的電壓值、電流值向上發送，接收時則將上位機發來的系統設置參數進行差錯判斷后放入本機原設置單元，然后再由軟件根據設置值進行相應處理。



經過電路板的設計、調試和程序的調試，證明了“透明”電源的可靠性。在調試的過程中做了大量的模擬過電壓和沖擊脈沖的試驗來檢測系統的性能。通過試驗證明過電壓保護電路和峰值檢測電路可以迅速準確地捕捉過電壓和沖擊脈沖，并且電路的反映速度很好，可以檢測到納秒級訴干擾信號，并且電路的反映速度很快，可以檢測到納級的干擾信號。這些性能很好地滿足了工業的需要，使得在有過電壓和沖擊脈沖產生的時候系統可以有效地保護電子電路；同時通過單片機和液晶顯示屏可以實時顯示這個電源的工作情況和性能，達到了“透明”電源的效果。而且在本設計中，電源系統通過通訊接口可以實現計算機在遠程對整個電源監控，便于電源的管理，實現了“遙控”的性能。