雙電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉鳳秋，徐征輝，劉勝劍

（哈爾濱理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

供電的連續(xù)性是電力質(zhì)量的一個(gè)重要方面。對(duì)于某些用電設(shè)備，如如醫(yī)院呼吸機(jī)、工廠可燃性氣體報(bào)警器、銀行視頻監(jiān)控系統(tǒng)等尤為重要。保證供電連續(xù)性的辦法是給供電對(duì)象提供主、備兩路獨(dú)立的電源，并對(duì)兩路電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[1-2]。本文設(shè)計(jì)的雙電源系統(tǒng)使用電力MOSFET作為切換開關(guān)降低功率損耗、提高切換速度，使用推挽式電路實(shí)現(xiàn)輸入輸出隔離，使用微控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并配備遠(yuǎn)程通信接口。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，能安全、可靠地實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換，具有切換時(shí)間短、工作可靠、效率高，可廣泛應(yīng)用于監(jiān)控系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)等對(duì)供電質(zhì)量要求比較高的場(chǎng)所。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。主電源由外部直流15 V電源提供，控制器時(shí)刻對(duì)主電源及備用電源狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過切換電路及時(shí)向后續(xù)電路提供有效的電源供應(yīng)，并在主電源正常時(shí)向備用電源充電保持備用電源的飽和狀態(tài)。隔離電路則通過推挽變壓器實(shí)現(xiàn)輸出與輸入的隔離，并提供穩(wěn)壓功能，從而向用電設(shè)備提供4路彼此隔離的穩(wěn)定的12 V輸出電壓。同時(shí)，本系統(tǒng)配備RS485遠(yuǎn)程通信接口，并運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程主機(jī)對(duì)系統(tǒng)的配置及監(jiān)視功能。

圖1 系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Block diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括直流輸入濾波電路、輔助電源電路、蓄電池充電電路、切換電路、主控制器電路、推挽變壓器隔離電路構(gòu)成。其中，輔助電源將輸入電壓變換到主控制器正常工作的穩(wěn)定的+5 V直流電壓；充電電路在主電源正常的時(shí)候向蓄電池充電，保證蓄電池的電量飽和；切換電路負(fù)責(zé)在主電源與備用電源之間切換，從而向后續(xù)電路提供無故障的電源供應(yīng)；推挽變壓器隔離電路實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的隔離，并保證輸出電壓的穩(wěn)定；主控制器時(shí)刻監(jiān)測(cè)主電源及備用電源的狀態(tài)，并協(xié)調(diào)各個(gè)部分的正常工作，同時(shí)，通過RS485接口監(jiān)聽遠(yuǎn)程主機(jī)的控制命令，提供電路的狀態(tài)信息，并在故障指示電路上及時(shí)指示電路的故障信息。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

控制電路 控制及監(jiān)視其他電路的正常運(yùn)行。主要由主控制器、編程接口、故障指示及RS485通訊電路構(gòu)成。本設(shè)計(jì)中，主控制器選用Atmel公司的ATMega16芯片。ATMega16是一款高性能、低功耗的8位微控制器，采用RISC指令結(jié)構(gòu)，具有只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘除法器，5 V供電時(shí)最高時(shí)鐘頻率16 MHz，性能高達(dá)1 MIPS/MHz[3]。具有高達(dá)16 kB片上 Flash及 1 kB片上 RAM。 同時(shí)具有 PWM、ADC、SPI、USART等眾多外設(shè)?？刂齐娐返脑韴D如圖3所示。

在本系統(tǒng)中，ATMega16定時(shí)器0的PWM輸出引腳OC0用于控制蓄電池充電，主電源電壓、備用電源電壓和輸出電流經(jīng)過阻容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分壓、濾波后由ADC通道0、1、2分別進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)，由AVR的硬件UART接口及485總線收發(fā)器MAX485構(gòu)成的通訊接口則用于監(jiān)聽遠(yuǎn)程控制主機(jī)的命令，同時(shí)，設(shè)有6個(gè)LED燈用于系統(tǒng)狀態(tài)的指示。

圖3 控制電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of control circuit

功率輸入及控制 控制主電源及備用電源的功率流向。主要由輸入保護(hù)與濾波、切換電路、充電電路及輔助電源構(gòu)成。電路原理圖如圖4所示。其中，VT1、D1及其外圍電路構(gòu)成充電電路，VT2、D2、VT3、D5及其外圍電路構(gòu)成切換電路。由于電路中使用了MOSFET與肖特基二極管，因此電路具有耗較小，切換速度高的優(yōu)點(diǎn)。輸入的直流電源或蓄電池供電經(jīng)開關(guān)電源芯片AMC3100變換得到+5 V的輔助電源，用于微控制器及其外圍電路的供電。

推挽式隔離輸出 用于輸入與輸出的隔離。由于輸入電壓比較低，因此電路采用了推挽式電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是效率高、功率器件驅(qū)動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)[4]。本設(shè)計(jì)中，控制芯片采用TI公司生產(chǎn)的開關(guān)電源芯片TL494。推挽變壓器采用EC40磁芯繞制，初級(jí)線圈采用4T+4T的繞制工藝。為進(jìn)一步降低功率損耗，采用全波整流代替全橋整流電路，因此，次級(jí)采用4組5T+5T的繞制工藝，從而可向后續(xù)電路提供4路彼此隔離、電壓相等的獨(dú)立電源。電路中采用線性光耦（U4，PC817）構(gòu)成反饋電路，保證了輸出電壓的穩(wěn)定性。在N型MOSFET的源極與電路GND之間接電流采樣電阻，同時(shí)，使用了控制芯片TL494內(nèi)部的一個(gè)誤差放大器構(gòu)成了關(guān)斷電路，使得控制電路能夠時(shí)刻監(jiān)測(cè)輸出電流狀態(tài)，并在過流或短路發(fā)生時(shí)及時(shí)關(guān)斷電源供應(yīng)，保障電路的安全。電路原理圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4 功率輸入及控制電路Fig.4 Schematic diagram of power input and control circuit

圖5 推挽式隔離輸出電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of push-pull isolation output circuit

表1 通信功能具體寄存器描述Tab.1 Register description of the communication function

為實(shí)現(xiàn)RS485通訊，本設(shè)計(jì)中移植了FreeModbus V1.5.0通訊協(xié)議。Modbus是一個(gè)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，具有開源、可以支持多種電氣接口（如RS485、RS232等）、幀格式簡(jiǎn)單、緊湊，通俗易懂等諸多優(yōu)點(diǎn)[5－6]。本設(shè)計(jì)中使用RS485總線通信并移植Modbus協(xié)議監(jiān)聽遠(yuǎn)程命令。涉及的數(shù)據(jù)類型有：coils（線圈。單個(gè)位，控制是否輸出，指示電路當(dāng)前狀態(tài)）、Input Registers（輸入寄存器。16位數(shù)據(jù)，讀取輸入電壓與輸出電流值）與Holding Registers（保持寄存器。16位數(shù)據(jù)，存放遠(yuǎn)程主機(jī)設(shè)置的保護(hù)電流值）。本設(shè)計(jì)中，使用Modbus RTU通訊模式，從機(jī)地址空間為1～200，通信速率為38 400 bps。具體的寄存器分配地址、默認(rèn)值及功能解釋如表1所示。

由于Modbus協(xié)議的通信過程是無需用戶干涉的，因此，只需要周期性調(diào)用Modbus通信處理函數(shù)，并向相應(yīng)寄存器內(nèi)寫值即可。為保證實(shí)時(shí)性，在定時(shí)器2的比較匹配中斷內(nèi)調(diào)用此函數(shù)，中斷周期為125 ms。ADC使用定時(shí)器0溢出中斷觸發(fā)，并在ADC轉(zhuǎn)換完成中斷內(nèi)實(shí)現(xiàn)ADC數(shù)據(jù)的讀取。本設(shè)計(jì)中主程序的流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.6 Flow chart of the software design

圖7 遠(yuǎn)程Modbus主機(jī)讀取數(shù)據(jù)圖Fig.7 Figure of remoting Modbus master reads data

4 調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上思想設(shè)計(jì)并試制一臺(tái)樣機(jī)。通過運(yùn)行于PC機(jī)上的Modbus Tester軟件對(duì)系統(tǒng)寄存器值進(jìn)行讀取，主機(jī)通信參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)讀取結(jié)果如圖7所示。經(jīng)實(shí)際帶載測(cè)試，本系統(tǒng)切換時(shí)間小于1 ms，輸出功率為100 W時(shí)電壓精度為12 V±0.5%，效率大于85%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文完整地討論了以ATMega16單片機(jī)為主控制器的帶隔離功能的雙電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)其中涉及關(guān)鍵問題進(jìn)行了詳細(xì)的討論。針對(duì)高端電子設(shè)備對(duì)不間斷供電電源的更高要求，提出了一種有效的解決途徑。使用該設(shè)計(jì)方案在簡(jiǎn)化雙電源電源管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，大大提升了系統(tǒng)的品質(zhì)與性能，具有很高的推廣價(jià)值。

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