集中供電電源的設(shè)計與實現(xiàn)*

*國家重點研發(fā)計劃重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項（NO.2017YFF0106703）資助

作者簡介：黨政（1993—），男，山東省滕州市，工程師，碩士，電氣工程專業(yè)，研究方向為電力電子。郵箱：danghit92@163.com。

0   引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種家用電器的出現(xiàn)使得人民生活越來越方便，用電負(fù)荷也不斷增加，消防設(shè)施的配套已成為小區(qū)住戶的安全保障。消防控制系統(tǒng)作為各種消防設(shè)施的控制樞紐，一旦停止運(yùn)行，將會給整個小區(qū)的用電安全和人民的財產(chǎn)安全帶來極大的威脅^[1]。而確保消防控制系統(tǒng)安全可靠持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件就是集中供電電源。集中供電電源作為消防控制系統(tǒng)獨立的供電電源，其在電網(wǎng)正常供電、異常斷電時，能夠不間斷地為消防控制系統(tǒng)供電，保證應(yīng)急照明、消防設(shè)備聯(lián)動等消防設(shè)施能夠安全可靠運(yùn)行。目前，消防設(shè)備逐漸向智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，對集中供電電源提出了更高的要求，如輸出電壓實時顯示、電源工作狀態(tài)監(jiān)測等^[2]。

因此，針對不間斷供電和智能化控制的要求，本文采用直流輸出UPS的供電策略，有兩路獨立的輸入電源：一路由電網(wǎng)提供交流電源，經(jīng)過整流濾波和DC/DC 智能充電管理技術(shù)提高電池壽命，增加主電、備電工作狀態(tài)顯示及實時電壓顯示。

1   整機(jī)設(shè)計方案

1.1 基本原理

集中供電電源主要由主電電路和備電電路兩部分組成，同時包含智能化顯示和控制，硬件的整體方案如圖1 所示。主電采用兩段式變換結(jié)構(gòu)：整流濾波電路和DC/DC 半橋變換電路。市電220 V AC，經(jīng)前級整流濾波電路后，通過后級DC/DC 半橋變換電路實現(xiàn)直流24 V/20 A 的功率輸出，同時產(chǎn)生蓄電池組的充電電源，經(jīng)充電控制電路，為備電蓄電池組充電，此為主電供電狀態(tài)。當(dāng)主電欠壓或斷電時，主電保護(hù)電路動作，關(guān)斷主電輸出，備電通過單片機(jī)對主電監(jiān)測控制繼電器切入，為控制系統(tǒng)提供不間斷供電。一旦市電恢復(fù)正常，將自動切換到主電供電狀態(tài)。

通過STM8 系列單片機(jī)組成的CPU 系統(tǒng)，對蓄電池進(jìn)行充電控制，完成智能化充電管理功能，同時通過對主電、備電的工作狀態(tài)、輸出電壓進(jìn)行實時監(jiān)測，將信號送到前面板進(jìn)行狀態(tài)顯示，并對各種故障狀態(tài)進(jìn)行報警。自檢功能在一定程度上能夠反映各硬件電路的工作狀態(tài)，該電路能夠?qū)︼L(fēng)扇、數(shù)碼管、指示燈等硬件狀態(tài)進(jìn)行檢測，判斷各硬件是否能夠正常工作。

1.2 主電電路

1.2.1 TL494芯片和IR2101芯片介紹

TL494 是一款可調(diào)頻率的脈沖寬度調(diào)制控制器，其內(nèi)部集成誤差放大器、片內(nèi)可調(diào)晶振、死區(qū)時間控制比較器、觸發(fā)器、5 V 穩(wěn)壓器以及輸出控制電路等，外圍電路少，易于設(shè)計。同時，TL494 的輸出控制可以選擇兩種工作模式：單端和推挽^[3]。

IR2101 是一款含有欠壓鎖定的專用半橋驅(qū)動芯片，具有獨立的高端和低端輸出通道，邏輯輸入兼容標(biāo)準(zhǔn)的CMOS或者LSTTL輸出，實現(xiàn)10~20 V的柵極驅(qū)動電壓，浮動通道能夠驅(qū)動高達(dá)600 V 的N 溝道功率MOSFET或IGBT^[4]。

1.2.2 主電電路工作原理

在前級整流濾波電路中，主要實現(xiàn)輸入整流濾波和初級輔助供電等功能。電路輸入部分增加保險絲、熱敏電阻和壓敏電阻構(gòu)成過溫和過壓保護(hù)電路，由X 電容、Y 電容、共模電感組成的EMI 濾波器構(gòu)成了差模濾波和共模濾波電路，以抑制瞬時電壓尖峰、浪涌電流等電網(wǎng)干擾串入電源內(nèi)，提高電磁兼容性能。利用RC 串聯(lián)解決開關(guān)瞬時變化帶來的干擾。整流濾波部分采用不可控整流橋，通過平衡電阻并聯(lián)濾波電容確保電壓均衡。初級輔助供電采用電容降壓電路，限制最大負(fù)載電流，配合線性穩(wěn)壓電路，簡化初級輔助供電。

為確保主電輸出大功率，功率變換電路采用MOSFET 的共通現(xiàn)象。為了進(jìn)一步提高電源可靠性，本電源還設(shè)計了過流保護(hù)、短路保護(hù)及過溫保護(hù)。過流和短路保護(hù)電路采用反時限的方式，當(dāng)過流現(xiàn)象持續(xù)一段時間后，過流保護(hù)點逐漸下降，使電流呈現(xiàn)反時限特性。過溫保護(hù)選用溫度開關(guān)取樣散熱器溫升，溫度過高時降低輸出電壓，進(jìn)而降低輸出功率，防止內(nèi)部溫度進(jìn)一步上升，提高功率電路的安全性。備電蓄電池組的充電電壓是通過變壓器的疊繞方式在輸出電壓之上疊加固定電壓，提高充電電源輸出的交叉調(diào)整性能。

1.3 備電電路

1.3.1 智能充電管理電路

智能充電管理系統(tǒng)是由單片機(jī)控制的“三段式”蓄電池充電方案，采用間隙周期性的充電方式，將每個充電周期分為三個階段，即短時快速均充充電—恒壓浮充充電—長時間微小電流放電。

電池充電管理電路如圖3 所示，為防止蓄電池發(fā)生極化效應(yīng)，提高電池壽命，采用脈沖式充電策略。由單片機(jī)產(chǎn)生充電信號C_SIG，頻率為1 Hz，脈沖占空比為75%。當(dāng)C_SIG 為高電平時，晶體管Q8 截止，VCHG 經(jīng)過充電電路給電池充電，均充電流有效值為1.4～2.2 A，可確保蓄電池組在24 h 充滿，此為快速均充充電模式。當(dāng)電池電壓達(dá)到浮充電壓點27.1 V 左右時，利用TL432 的比較器特性，將信號反饋給充電電路，使其停止充電，轉(zhuǎn)入小電流浮充模式，平衡蓄電池組自然放電的電荷。

1.3.2 繼電器控制電路

繼電器控制電路是實現(xiàn)主備電無縫切換功能的電路，對初級交流輸入和輔助電源檢測，識別主電工作狀態(tài)，通過光耦隔離傳輸至次級側(cè)，控制繼電器切換，完成輸出端的不間斷供電。檢測電路采用遲滯方式，可有效提高信號檢測的準(zhǔn)確性。

繼電器控制電路如圖4 所示， 電源主電和備電均正常工作時，光耦隔離OP2 截止，OP3 導(dǎo)通，檢測主電狀態(tài)信號PC4 發(fā)送高電平，繼電器不動作，此時為主電正常工作狀態(tài)；而當(dāng)主電發(fā)生異常時，光耦隔離OP2導(dǎo)通，OP3 截止，檢測主電狀態(tài)信號PC4 發(fā)送低電平，繼電器吸合，備電蓄電池組直接供電給輸出，從而實現(xiàn)了主備電無縫切換。

1.3.3 其他電路

自檢電路在電源前面板中設(shè)置專門的自檢按鍵，通過CPU 控制硬件電路，實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)、顯示電路和蜂鳴器驅(qū)動電路的功能檢測。輸出檢測、備電檢測采樣輸出電壓和備電電壓，送給CPU 的模擬信號檢測端口，實現(xiàn)輸出電壓和工作狀態(tài)的實時顯示和功能控制。風(fēng)扇控制電路通過采樣變壓器溫度檢測的熱敏電阻的阻值，控制散熱風(fēng)扇工作，實現(xiàn)功率電路強(qiáng)制風(fēng)冷。蜂鳴器驅(qū)動電路根據(jù)CPU檢測到的電池過放故障，切斷放電回路時，并驅(qū)動蜂鳴器告警，音頻頻率為1 kHz，響應(yīng)0.5 s，報警時間設(shè)計為2 h。顯示電路使用3 位數(shù)碼管顯示輸出電壓，8 個指示燈實時指示主電工作、備電工作、主電故障、備電工作、備電欠壓等多種工作狀態(tài)。單片機(jī)通過移位存儲寄存器提供送顯數(shù)據(jù)，實現(xiàn)1 ms/4 ms 均勻顯示。

2   測試結(jié)果與分析

根據(jù)上述設(shè)計方案，進(jìn)行了該電源的輸出電壓測試，圖5(a) 是該電源在主備電無縫切換時輸出電壓變化曲線，其中A 部分為主電正常工作時的輸出電壓，B 部分為蓄電池組供電時的輸出電壓。圖5(b) 是主電輸出電壓紋波、噪聲變化曲線。

由圖5(a) 可以看出，在主電工作時，輸出電壓為26.4 V左右；蓄電池組供電時，輸出電壓在24 V 左右；圖5(b) 中主電工作時輸出電壓紋波在6 mV 左右，輸出電壓噪聲在94.37 mV 左右，說明此電源輸出性能指標(biāo)均滿足消防控制系統(tǒng)供電電源的要求。另外，本設(shè)計成本低廉，且具有智能化的顯示和充電管理系統(tǒng)，極大地滿足了智能化和小型化的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝香志.中山商住樓供配電系統(tǒng)設(shè)計與分析[D].廣州:華南理工大學(xué),2017.

[2] 郭晉男.消防電源故障自診斷系統(tǒng)研制[D].長春:長春工業(yè)大學(xué),2017.

[3] Texas Instruments.TL494 Pulse-Width-Modulation Control Circuits[EB/OL].[2017].

http://www.ti.com.

[4] International Rectifier.IR2101(S)/IR2102(S) &(PbF)HIGH AND LOW SIDE DRIVER[EB/OL].[2014].

https://www.infineon.com.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）