通信設(shè)備中開(kāi)關(guān)電源實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示與保護(hù)設(shè)計(jì)

孫玉軒

（?？诮?jīng)濟(jì)學(xué)院　網(wǎng)絡(luò)學(xué)院， ?？凇?71127）

通信電源是整個(gè)通信系統(tǒng)的能量提供源，穩(wěn)定可靠、高效的電源供電系統(tǒng)，是保證通信系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

目前，通信用高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)全面取代了原有線性電源系統(tǒng)，[1]其技術(shù)和市場(chǎng)得到了高速發(fā)展。再加上移動(dòng)通信的迅速增長(zhǎng)，使通信電源的研究更為重要，因此，其成為各類開(kāi)關(guān)電源最為活躍的品種之一。本文主要介紹如何在通信設(shè)備開(kāi)關(guān)電源中設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)重要參數(shù)（包括電壓、電流、功率因數(shù)等）的測(cè)量和顯示。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了過(guò)流保護(hù)電路，一方面使設(shè)備智能化程度提高，另一方面由于開(kāi)關(guān)電源自身具有自我保護(hù)、恢復(fù)功能，也使電源本身的安全可靠性大幅度提升。

一、測(cè)量、保護(hù)與顯示電路設(shè)計(jì)

（一）總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，輸入交流電壓Us=24 V，輸出直流電壓Uo=36 V，輸出電流額定值Io=2A，主電路采用Boost升壓電路，功率因數(shù)校正控制部分采用UCC28019PFC芯片。主體部分：輸入交流電壓先經(jīng)過(guò)EMI網(wǎng)絡(luò)和整流橋，得到直流電壓；再通過(guò)Boost升壓電路，得到36 V的直流輸出電壓，而通過(guò)有源功率因數(shù)校正器，可以使功率因數(shù)得到校正，輸出穩(wěn)定的電壓。[2]外圍部分：電流互感器和電壓互感器對(duì)輸入電壓電流采樣，再放大比較，輸入到單片機(jī)；霍爾和電阻采樣網(wǎng)絡(luò)分別采集輸出的電壓和電流，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電流，實(shí)現(xiàn)輸出電壓和電流的檢測(cè)和顯示。當(dāng)其輸出電流超過(guò)2.5 A時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令電平，通過(guò)繼電器斷開(kāi)主電路，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。當(dāng)電路重啟后，輸出電流小于2.5 A時(shí)，電路恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

（二）功率因數(shù)測(cè)量電路

常用的功率因數(shù)測(cè)量有兩種。一種是直接計(jì)算出功率、電壓和電流的有效值,然后利用相應(yīng)公式計(jì)算出功率因數(shù)。還有一種則是利用電壓、電流互感器分別對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行提取，經(jīng)過(guò)比較器整形后，通過(guò)相位差測(cè)量出電流和電壓的相位差，再通過(guò)余弦運(yùn)算得到功率因數(shù)。[3]鑒于設(shè)計(jì)要求和本電路的特點(diǎn)，為了計(jì)算方便，本設(shè)計(jì)采用相位差測(cè)量法。如圖1所示。

在輸入端采用高精度的電流互感器和電壓互感器分別對(duì)輸入電流和電壓進(jìn)行取樣，再把得到的兩個(gè)具有相位差的方波送入到單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)兩個(gè)方波信號(hào)的上升沿的時(shí)間差，從而得到輸入電流和電壓的相位差，再通過(guò)數(shù)據(jù)處理，最終得到功率因數(shù)的測(cè)量值并顯示在LCD顯示器上。

（三）輸出電流、電壓檢測(cè)電路

輸出測(cè)量電路能夠在一定的精度范圍內(nèi)檢測(cè)輸出電壓和電流值，常用電壓互感器和電流互感器進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)電磁感應(yīng)輸出交流低電壓，再通過(guò)運(yùn)算放大器對(duì)得到的電壓和電流進(jìn)行放大，使其達(dá)到能夠檢測(cè)的范圍，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，顯示出來(lái)。本設(shè)計(jì)為了達(dá)到要求的精度，使用精密霍爾傳感器HS-20A-P對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣，而輸出電壓則直接用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采樣取得。電阻與負(fù)載并聯(lián)，加在所有取樣電阻上的電壓與輸出電壓相同，再利用合適的電阻比進(jìn)行分壓，這樣既可保證電子元器件的安全，又可以準(zhǔn)確測(cè)量出輸出電壓的大小，且對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率的影響幾乎可以忽略不計(jì)。如圖2所示。

圖1　功率因數(shù)測(cè)量電路

圖2　輸出電流、電壓檢測(cè)電路

（四）過(guò)流保護(hù)電路

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)電路：當(dāng)輸出電流為2.5 A時(shí)，電路自動(dòng)斷開(kāi)保護(hù)。繼電器相當(dāng)于一個(gè)可控的單刀雙擲開(kāi)關(guān)，當(dāng)輸入的物理量達(dá)到規(guī)定值時(shí)，電器輸出電路被接通或斷開(kāi)，從而達(dá)到控制的目的。如圖3所示。

圖3　過(guò)流保護(hù)電路

（五）單片機(jī)顯示電路

單片機(jī)顯示部分主要由STC89C52、復(fù)位電路、晶振電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和1602液晶顯示器組成。晶振電路用于單片機(jī)的起振；復(fù)位電路則完成系統(tǒng)的復(fù)位；A/D轉(zhuǎn)換電路用于測(cè)量輸出直流電壓和電流；而顯示部分對(duì)單片機(jī)檢測(cè)到的電壓電流進(jìn)行顯示。[4]

STC89C52是一個(gè)低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存取存儲(chǔ)器（RAM）。該器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，32個(gè)雙向I/O口，1個(gè)串行中斷，2個(gè)外部中斷，2個(gè)讀寫(xiě)中斷，適應(yīng)于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。16腳接口帶背光的LCD1602，內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，可顯示16*2字。如圖4所示。

圖4　單片機(jī)顯示電路

二、結(jié)束語(yǔ)

通信電源模塊在整個(gè)通信行業(yè)中所占的比例雖然比較小，但它是決定通信質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素之一，也是通信網(wǎng)絡(luò)上一個(gè)完整而又不可替代的獨(dú)立產(chǎn)品。由于該系統(tǒng)具有準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的內(nèi)部參數(shù)自測(cè)量和顯示，特別是在此基礎(chǔ)上具有快速自我保護(hù)和恢復(fù)功能，極大地提高了開(kāi)關(guān)電源的智能化功能和安全性。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后在2013年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中獲得了本科組國(guó)家級(jí)二等獎(jiǎng)。

參考文獻(xiàn)：

［1］沙占友.開(kāi)關(guān)電源實(shí)用技術(shù)500問(wèn)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

［2］任凌，李思楊，王志強(qiáng).有源功率因數(shù)校正技術(shù)綜述[J].通信電源技術(shù)，2005（4）：23-25.

［3］魏旭光，陳建鋒.高功率因素開(kāi)關(guān)電源的研究[J].通信電源技術(shù)，2009（4）：28-30.

［4］毛謙敏.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.