基于自適應(yīng)儲能模式的高效率電子圍欄的設(shè)計

金永鎬，王龍騰

(延邊大學(xué) 工學(xué)院，吉林 延吉133000)

為了實現(xiàn)人類正常生產(chǎn)與保護野生動物的雙重目標(biāo)，人們采用電圍欄恐嚇和威懾等方法驅(qū)趕動物，這樣既不傷害動物生命、不違反野生動物保護的相關(guān)法律，又能保護莊稼不受毀壞[1]。電子圍欄主要由周界圍欄、高壓脈沖發(fā)生器構(gòu)成[2]，為了不傷害觸及電子圍欄的動物，通常高壓脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖幅度為3 kV～12 kV、作用時間小于0.1 s(釋放的能量應(yīng)小于5 J)的高壓脈沖，并在圍欄上傳播[3]。

傳統(tǒng)的電子圍欄存在兩個缺點：一是在升壓電路上采用大容量電容充電后，通過大體積鐵芯變壓器升壓放電，因此對大電容和開關(guān)管的電流沖擊很大，從而縮短器件的使用壽命；二是在放電模式上不管有無動物入侵總是定時放電，浪費了能量，降低了效率。

針對以上缺點，提出了一種基于自適應(yīng)儲能模式的高效率、低功耗電子圍欄的設(shè)計，這種電子圍欄改變了傳統(tǒng)電子圍欄工作時定放電的方法，采用高壓電容儲能的方式，根據(jù)電圍欄的狀態(tài)自動產(chǎn)生不同的高壓，從而達到了高效、節(jié)能的目的。

控制部分采用微功耗、高性價比的MK7A23P單片機，可設(shè)置脈沖寬度和脈沖周期，且待機功耗很小。

1 傳統(tǒng)電圍欄的工作方式

傳統(tǒng)的電子圍欄升壓工作原理如圖1所示，工作模式如圖2所示。通常在低壓大電容上充電300 V左右的電壓后，控制可控硅在工頻變壓器的初級線圈上釋放，從而在次級線圈上獲得高壓脈沖。

圖1 傳統(tǒng)的電子圍欄升壓電路

圖2 傳統(tǒng)的電子圍欄工作模式

這種電路易于實現(xiàn)，但缺點是由于采用鐵芯變壓器，工作頻率不超過1 kHz，在升壓比值較大時，變壓器的體積一般很大，同時每次放電時對儲能電容和可控硅的沖擊較大[4]，容易損壞器件，而且不論是否有動物觸及都將定時放電產(chǎn)生高壓脈沖，系統(tǒng)工作效率低。

電容充電后其儲存的能量由式(1)決定,所以儲存的5 J能量在0.5 s間隔內(nèi)以0.1 s持續(xù)時間放電時，瞬間功率為50 W，平均損耗功率為10 W。

可見，不管是否有動物入侵，總是損耗10 W功率，浪費了能量，降低了效率。

2 儲能模式電圍欄的工作方式

2.1 儲能模式電圍欄的工作原理

儲能模式電圍欄整體框圖如圖3所示。

圖3 儲能模式電圍欄整體框圖

電圍欄主要由反激式變換器、高壓儲能電容、高壓干簧管、過流檢測、高壓檢測等部分組成。圖4為電圍欄工作模式圖，為了減少平時的待機功耗，高壓平時保持在4 kV～4.5 kV，當(dāng)動物觸及電圍欄時，高壓迅速上升到7 kV以達到最大的電擊效果。

圖4 電圍欄工作模式圖

變換器開始工作時，儲能電容的電壓為0 V，此時變換器滿載工作則高壓整流二極管承受的電流過大，因此變換器輕載工作，充電到4.5 kV后接通高壓干簧管檢測圍欄狀態(tài)。當(dāng)無動物入侵時高壓保持在4 kV以上(圖4中圍欄檢測中脈沖序列1、2狀態(tài)，此時高壓電容通過高壓平衡電阻放電，放電速度較慢)；當(dāng)有動物入侵時高壓迅速降低到2 kV以下，此時變換器先滿載工作，迅速充電到7 kV，然后轉(zhuǎn)入輕載工作保持7 kV電壓(脈沖序列3、4狀態(tài))；動物離開后高壓通過平衡電阻放電，一旦電壓下降到4 kV以下，則補充充電到4.5 kV以便檢測圍欄狀態(tài)(脈沖序列 5、6、7狀態(tài))。

2.2 高壓升壓電路工作原理

高壓升壓電路工作原理如圖5所示。為了簡化電路，采用固定頻率為60 kHz的PWM電流型控制的開關(guān)電源專用芯片NCP1200，該芯片的工作電壓為16～450 V，具有過載、短路以及過熱關(guān)斷保護功能，利用CS端檢測電流，輸入范圍是0～1 V，當(dāng)電流采樣電阻R2兩端的電壓超過1 V時，芯片停止工作。控制FB端的輸入電壓，可控制每個周期中裝入變壓器初級中的能量，輸入范圍是 0～5 V。

圖5 高壓升壓電路圖

反激式變換器工作時，每個周期裝入電感的能量為WL，當(dāng)釋放給高壓儲能電容CH時(3個高壓儲能電容C4～C6的串聯(lián)值)，由于 CH起始電壓為 0 V，而電壓越低電流越大，因此通過高壓整流二極管D1的電流很大。本文采用高壓二極管的型號為2CL2G，該二極管反向峰值電壓為10 kV，正向?qū)▔航禐?12 V，正向最大電流為100 mA。

每個周期CH獲得的能量為：

CH兩端電流與電壓關(guān)系由式(3)決定：

由式(2)和式(3)可得出流過CH的電流：

CH兩端電壓與時間的關(guān)系由式(2)和式(3)可得出：

式中k為積分常數(shù)。

圖6為高壓二極管電流隨充電電壓變化的曲線圖。由圖可知2 kV以內(nèi)電流很大，因此為了減少電流，2 kV電壓以內(nèi)使用較少的能量來充電(輕載工作i=0.5 A)，大于2 kV時用較大的能量來充電(滿載工作 i=3 A)，以提高充電速度。

圖6 高壓二極管電流隨CH電壓變化曲線圖

圖7為變換器能量調(diào)節(jié)模式圖，單片機輸出的PWM波形輸入到 PA2，經(jīng)R1、C1濾波后提供 1 V～5 V的控制電壓，從而實現(xiàn)能量控制。

圖7 變換器能量調(diào)節(jié)模式

為了減小過大的變壓器變比(過大的變比增加寄生電容使開關(guān)波形變壞，降低效率)，提高了反激電壓約為400 V，此時變比僅為1:20，次級上能得到最大為8 kV的高壓。圖8所示為開關(guān)管通斷時反激電壓波形圖。

圖8 開關(guān)管通斷時反激電壓波形圖

變換器以輕載工作給CH充電到2 kV所需的時間為t1，由式(6)可得式(7)。

式(7)中，當(dāng)取 f=100 kHz、U1=2 kV、CH=0.23 μF、L=60 μH、i=0.5 A 時，t1=0.61 s。

變換器以滿載工作給CH從2 kV充電到7 kV所需的時間為 t2，由式(6)可得式(8)。

式(8)中，當(dāng)取 f=100 kHz、U2=7 kV、U1=2 kV、CH=0.23 μF、L=60 μH、i=3 A 時，t2=0.19 s。

光學(xué)容積描記法具有成本低、功耗低、體積小、無需袖帶充氣和可連續(xù)測量等優(yōu)點，適用于可穿戴設(shè)備。該方法大多采用光電傳感器采集人體生理信號，由光電傳感器在人體表面檢測出的脈搏信號稱為光電容積脈搏波，簡稱PPG信號。其工作原理為：發(fā)光二級管發(fā)射一束特定波長的光，并在人體表面照射。血液中的細胞能對光進行吸收，并隨著心臟搏動引起反射光強度的變化。光敏傳感器對反射光進行收集，并對反射光中的交流成分進行描記，得到PPG信號[8]。

2.3 高壓檢測電路工作原理

電子圍欄高壓檢測電路中，為了減少功耗，通常采用高阻值的電阻和低阻值的電阻分壓后，利用光電隔離方式組成檢測器[5]，電路如圖9所示。

圖9 傳統(tǒng)電圍欄高壓檢測電路

這種方法的缺點是：采用了一級分壓電路，從7 kV上得到5 V的采樣電壓，分壓比為7 000:5，不宜精確控制。同時RH采用幾十到幾百兆歐的高阻很容易受環(huán)境濕度等因素的影響，且RO通常采用幾十千歐的低阻，受環(huán)境影響很小，因此分壓比容易改變，導(dǎo)致較大的控制誤差。根據(jù)分壓關(guān)系有：

由式(9)可知，電壓與阻值變化量x有關(guān)。圖10為高壓脈沖電壓值隨電阻值改變的變化曲線。

圖10 電壓值隨電阻改變時的變化曲線

為了克服上述缺點，本文采用兩級分壓方式，如圖11所示。

圖11 高壓升壓檢測電路

第一級分壓中RH1～RH9采用6.8 MΩ的標(biāo)稱電阻，分壓比由式(10)決定。

由式(10)可知，電壓與阻值變化量無關(guān)，克服了環(huán)境濕度等因素變化帶來的影響。

由式(10)可得一級分壓比為 K1=19，由圖11可知二級分壓比為K2=20，所以總的分壓比為：

由式(11)可得A點、B點、C點電壓分別為 18 V、11 V、5 V。同時為了減少24 V檢測電阻上的損耗，比較器的分壓電阻R8～R12分別取如圖11所示的阻值，此時功耗為0.01 W。

由于電圍欄大部分時間都處于待機狀態(tài)，待機時高壓為4 kV，所以一級分壓的待機功耗為0.37 W，二級分壓的待機功耗為0.11 W，所以總的待機功耗為0.49 W。

2.4 過流保護電路工作原理

圖12為過流保護電路工作波形。正常工作時R2兩端的電壓小于1 V，當(dāng)發(fā)生過流時R2兩端的電壓大于1 V，比較器U2D的輸出為高電平，單片機控制PA2輸出為0，從而NCP1200停止輸出脈沖。

圖12 過流保護波形

2.5 高壓脈沖控制電路

圖13為產(chǎn)生高壓脈沖的控制電路。為了實現(xiàn)對高壓脈沖可靠的控制，采用型號為HVR24-1A10-06的繼電器K1，該繼電器工作電壓為24 V，最大開關(guān)電流為3 A。

圖13 高壓脈沖產(chǎn)生及控制電路

采用高壓電容儲能的方法，自動識別電子圍欄的狀態(tài)，改變了傳統(tǒng)電子圍欄工作時定時放電的方法，減少了能量的浪費，傳統(tǒng)電子圍欄的待機功耗為10 W，而本設(shè)計的待機功耗僅為0.49 W，大大提高了系統(tǒng)的效率。同時本文采用分壓比相對較小的兩級分壓方法，降低了待機功耗，提高了高壓檢測的精度。

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