便于集成的智能化電源模塊監(jiān)控系統(tǒng)研究
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，開關(guān)電源越來越受到重視，尤其是在通信、電力領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。近年來，為了提高電源使用的方便性和簡易性，電源的模塊化和集成化成為研究的重要課題。電源采用模塊化設(shè)計使得不同的系統(tǒng)可以根據(jù)自身的容量來選擇并聯(lián)模塊的數(shù)量，同時又保證了冗余度，便于維護(hù)和替換，實現(xiàn)丁“積木式”結(jié)構(gòu)，而針對這種新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，舊的電源監(jiān)控維護(hù)方式已無法滿足管理要求，因此，有必要采用“積木式”多重監(jiān)控系統(tǒng)。目前，一些文獻(xiàn)介紹了這種電源監(jiān)控方式，但是，監(jiān)控模塊沒有考慮到成本、體積等因素，而在將電源主功率和其他外圍電路集成時，這些因素是不得不考慮的。為了便于將監(jiān)控模塊與主功率模塊集成在一起，實現(xiàn)小型化，保證可靠性，必須設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、功能強大、抗干擾能力強、成本低廉、便于大規(guī)模生產(chǎn)的監(jiān)控模塊。
1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
為了簡化監(jiān)控模塊的電路，采用總線式設(shè)計方案，即將大量的數(shù)據(jù)處理放在系統(tǒng)級監(jiān)控中，而模塊級監(jiān)控負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集(包括輸出電壓、電流)，以及提供各種保護(hù)功能并且進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控(包括過熱、過流、過壓、電網(wǎng)故障等)。由上位機通過通信總線對各個電源模塊進(jìn)行管理，監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1.2 監(jiān)控模塊硬件功能設(shè)計
單個監(jiān)控模塊所要實現(xiàn)的功能包括監(jiān)測功能、控制功能和通信功能．監(jiān)測是指動態(tài)采集模塊輸出電流、判斷模塊工作狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)和有關(guān)狀態(tài)傳輸給系統(tǒng)上位機；控制是指接受上位機發(fā)出的調(diào)壓信號進(jìn)行模塊輸出電壓的調(diào)節(jié)，也可以通過面板上電位器進(jìn)行輸出電壓調(diào)節(jié)，同時實現(xiàn)故障保護(hù)；通信是指模塊配備RS485接口與系統(tǒng)上位機通信。
監(jiān)控模塊的功能框圖如圖2所示。電源主功率電路采用移相全橋，可以實現(xiàn)軟開關(guān)，提高效率，為了擴展軟開關(guān)的負(fù)載范圍，增加了輔助網(wǎng)絡(luò)，具體的電路和工作方式本文不做討論。虛線框內(nèi)所示就是整個監(jiān)控模塊，模塊的輸入量有電網(wǎng)輸入電壓、散熱片溫度、電源輸出電壓和輸出電流；模塊的輸出量有調(diào)壓信號、電源關(guān)閉信號和送給上位機的電源運行狀態(tài)信號。
微處理器是監(jiān)控的核心器件，奉系統(tǒng)采用PHILIPS公司的P87LPC768單片機，其內(nèi)部集成了PWM口、UART、WATCHDOG，該微處理器體積小(20腳)、功耗低、功能強大。PWM口可以用來進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，由于對輸出電壓的調(diào)節(jié)不是很快的調(diào)速系統(tǒng)，因此只需要普通光耦隔離，跟隨阻容濾波器進(jìn)行濾波，得到控制信號，對輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣，充分利用了單片機內(nèi)部的資源，減少了容易受溫度和電磁場干擾的外圍元器件。
由于電源模塊內(nèi)部溫度變化較大，普通的模擬信號隔離(如采用線性光耦隔離)受溫度影響較大，因此先對輸出電壓和電流進(jìn)行采樣，得到數(shù)字信號，然后再通過光耦隔離送入單片機內(nèi)處理。電流采樣選用的是串行A／D轉(zhuǎn)換器(如MAX1109)，這樣一方面節(jié)省了單片機有限的管腳資源，另一方面減小了模塊體積。由于串行A／D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)讀出和寫入的頻率可以比較低，因此可以采用普通光耦，降低成本。而轉(zhuǎn)換時鐘則可以采用A／D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的高頻時鐘，不會影響轉(zhuǎn)換精度。
采樣得到的輸出電壓和電流值，也可以通過串行通信傳送到上位機，供上位機對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控管理，同時也供模塊本身的液晶顯示用。為了節(jié)約單片機的資源，可以采用串行傳送的方案。通過一個串行／并行轉(zhuǎn)換器(如74LS164)來實現(xiàn)這一功能。液晶可以采用模塊，簡化設(shè)計電路，提高可靠性。同時為了節(jié)省單片機資源，可以讓液晶模塊工作在4位數(shù)據(jù)方式。
監(jiān)控模塊的電壓調(diào)節(jié)方式有兩種：一是通過手動調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，二是修改軟件里的設(shè)置進(jìn)行調(diào)節(jié)(系統(tǒng)級監(jiān)控中才涉及)?？刂齐娫茨K的輸出電壓主要是要控制PWM波形的占空比，第一種方式下必須設(shè)計出可以產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波形的電路(如由555定時器組成的占空比可調(diào)的多諧振蕩電路)，第二種方式下，是利用PHILIPS的P87LPC768單片機的PWM口產(chǎn)生PWM波形，而占空比的改變是在軟件中進(jìn)行設(shè)置的。
監(jiān)控模塊與上位機進(jìn)行通信時，由于是多級通信，必須要有地址來進(jìn)行相互區(qū)分，對每個模塊進(jìn)行地址編碼，模塊的地址設(shè)定靠撥碼開關(guān)來控制，設(shè)置好的地址通過并進(jìn)串出移位串行寄存器讀入單片機內(nèi)進(jìn)行處理。通信采用485協(xié)議。
采用上述設(shè)計方案設(shè)計出來監(jiān)控模塊體積小，成本較低，功能又比較完善。
2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計
整個系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計，由多個子程序構(gòu)成，便于調(diào)試和擴展。為了提高采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，減小誤差，在程序中采用了數(shù)字濾波技術(shù)。
主程序的流程圖如圖3所示，初始化后進(jìn)入主循環(huán)，檢測系統(tǒng)的狀態(tài)，判斷是否過壓，電網(wǎng)是否故障，是否過溫，是否過流，并且采樣輸出電流，轉(zhuǎn)換成電壓信號作為顯示并且通過通信總線輸送到上位機。由于模塊的電壓、電流顯示只是起到監(jiān)視作用，不作為測量，因此刷新的頻率不需要很高，基本上不加重MCU的負(fù)擔(dān)。
檢測系統(tǒng)狀態(tài)時，如果發(fā)生了故障，延時再判斷是不是真的出現(xiàn)故障，一旦確認(rèn)是出現(xiàn)了故障，關(guān)掉模塊輸出，同時用不同的LED指示燈來顯示不同的故障。這其中，過溫故障和電網(wǎng)故障是屬于可恢復(fù)性故障，因此要求等待一定時間，當(dāng)故障消失后，模塊能夠重新啟動；而輸出過壓和過流故障是不可恢復(fù)性故障，則不應(yīng)該再讓模塊重新啟動。
上位機對下位機的控制主要通過通信總線，采用主從式多機通信方式，上位機首先處于方式二，發(fā)出地址幀，然后等待從機的回答信號，收到后轉(zhuǎn)為方式三，再發(fā)出指令。被呼叫的從機收到主機的地址幀后，如果與自己的地址一致，就從方式二切換為方式三，把自己的地址作為數(shù)據(jù)發(fā)出，然后等待指令。
數(shù)據(jù)格式如下：
D8位為1表示發(fā)出的是地址幀，08位為0表示發(fā)出的是數(shù)據(jù)幀。模塊地址編號從0到15，與模塊放置次序一一對應(yīng)。通信波特率為2400bps。
3 結(jié)語
本文介紹的監(jiān)控系統(tǒng)，功能齊全，可靠性高，體積很小，而且抗干擾能力強，受溫度影響小，成本低廉，能夠應(yīng)用在高功率密度電源模塊中，有很大的實用價值，現(xiàn)已應(yīng)用在通信電源產(chǎn)品中。
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