消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)供電電路設(shè)計(jì)

葛　俊，應(yīng)智花

(杭州電子科技大學(xué)新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州 310018)

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消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)供電電路設(shè)計(jì)

葛俊，應(yīng)智花

(杭州電子科技大學(xué)新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州 310018)

摘要：針對(duì)目前市場(chǎng)上消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)供電電路可靠性低的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種能夠持續(xù)穩(wěn)定工作的供電電路，主要包括主備用電源切換、備用電源充電、輸出短路保護(hù)等電路，以及電磁干擾設(shè)計(jì)，對(duì)重要元件的選型作了詳細(xì)地說明.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)供電線路的有效保護(hù)，穩(wěn)定性較高.

關(guān)鍵詞：消防設(shè)備電源；主備用電源切換；短路保護(hù)；電磁干擾

0引言

近年來，火災(zāi)事故頻繁發(fā)生，消防設(shè)備變得越來越重要.消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)的電源穩(wěn)定性必須得到保證[1].目前，消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)多使用雙電源供電電路，這類電路存在以下幾點(diǎn)不足：第一，采用數(shù)字芯片控制，反應(yīng)速度相比模擬電路較低，且成本高[2]；第二，缺乏有效的短路保護(hù)功能；第三，缺少抗電磁干擾設(shè)計(jì)[3].現(xiàn)實(shí)生活中，供電線路經(jīng)常出現(xiàn)上千伏的脈沖電壓，對(duì)元器件的損害是致命的，尤其是主控芯片，所以加入抗電磁干擾的設(shè)計(jì)是非常必要的[4].本文針對(duì)消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)供電電路的不足，進(jìn)行了電路的優(yōu)化和重新設(shè)計(jì)，提高了供電電路的可靠性和穩(wěn)定性，保障了消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)作.

1電路工作原理概述

消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)的供電電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括主備用電源切換電路、備用電源充電振蕩電路、主備用電源輸出短路保護(hù)電路.

圖1　消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)供電電路框圖

主備用電源切換電路自動(dòng)切換使用主電和備用電源，當(dāng)主電電壓不足時(shí)，切換到備電，主電源恢復(fù)正常后，重新切回，同時(shí)通過充電振蕩電路對(duì)備用電源進(jìn)行充電，振蕩電路由CD40106組成，產(chǎn)生方波信號(hào)用于控制鉛蓄電池充電.電源輸出短路保護(hù)電路，及時(shí)高效地保護(hù)主備用電源.

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1主備用電源切換電路

主備用電源的切換功能主要是通過MBR2060實(shí)現(xiàn)的，MBR2060內(nèi)部是共陰極連接的2個(gè)二極管，最高直流禁止電壓可達(dá)到60 V，常溫狀態(tài)下，在反向直流電壓達(dá)到60 V的時(shí)候，反向電流只有0.1 mA，具有低功耗，高效率的優(yōu)點(diǎn)，切換電路如圖2所示.

圖2　主備用電源的切換電路圖

主電源(AV+)連接之后，繼電器才能閉合，這樣備用電源(BV+)接入供電線路，這個(gè)設(shè)計(jì)是為了確保主電優(yōu)先供電.當(dāng)主電源發(fā)生失壓、欠壓時(shí)，MBR2060迅速動(dòng)作，使得備用電源導(dǎo)通，同時(shí)將主電源線路切斷，保證了供電的穩(wěn)定性[5].

部分電源切換電路采用數(shù)字電路，主要使用采樣芯片采集主備用電源輸出的電壓值，然后將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)處理完后輸出控制信號(hào)，將電壓值低于標(biāo)準(zhǔn)電壓值范圍以外的一路截止，連通另一路輸出.該方法比使用模擬電路方法反應(yīng)慢，原因有兩個(gè)：1)采集芯片將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字信號(hào)，需要一定的采樣周期，不具備實(shí)時(shí)性；2)轉(zhuǎn)化之后的數(shù)字信號(hào)需要傳遞到單片機(jī)中進(jìn)行處理，然后單片機(jī)再發(fā)出控制信號(hào)，控制線路的通斷，增加了延時(shí)的時(shí)間[6-7].模擬電路中都是連續(xù)的模擬信號(hào)，直接控制元件的通斷，能夠保證實(shí)時(shí)切換.

2.2充電振蕩電路

振蕩電路產(chǎn)生的方波控制信號(hào)經(jīng)過充電電路對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，振蕩電路、充電電路分別如圖3、圖4所示.

圖3　充電振蕩電路圖

圖4　充電電路圖

振蕩電路核心器件CD40106根據(jù)直流供電電壓的大小改變上升、下降電壓，從而改變輸出波形的幅值，根據(jù)CD40106數(shù)據(jù)手冊(cè)和實(shí)際需求設(shè)置合理的振幅和占空比，即可產(chǎn)生振蕩控制波形.

圖4中R2，R4，Q3構(gòu)成1個(gè)過流保護(hù)，這里有2個(gè)元件的選擇需要注意：1)電阻R2因?yàn)檫B接在充電線路上，會(huì)帶來不必要的功耗，所以盡量選擇阻值較小的電阻，圖4選擇了1 Ω的水泥電阻，保證了低功耗，同時(shí)水泥電阻的功率較大，不會(huì)因?yàn)殡娏鬟^大而損壞；2)三極管Q3應(yīng)該選擇功率型三極管，可以避免因電流過大帶來的器件損壞，同時(shí)該類三極管具有較快的反應(yīng)速度、額外功率損耗低等優(yōu)點(diǎn).

2.3短路保護(hù)電路

實(shí)際使用中，元器件的損壞、線路的老化和人為的非法操作都會(huì)引起供電線路的短路，而短路對(duì)電源的破壞相當(dāng)巨大.短路造成線路電流過大，瞬間釋放大量熱量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成火災(zāi).本文設(shè)計(jì)了一個(gè)有效的短路保護(hù)電路，如圖5所示.

該電路核心開關(guān)器件采用P溝道MOS晶體管，該類型晶體管具有較快的開關(guān)頻率，且導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，流過的電流較小，減少了功率損耗.R2，R21和Q7構(gòu)成一個(gè)瞬間導(dǎo)通電路，R20，R22，D15和R23構(gòu)成1個(gè)持續(xù)的導(dǎo)通電路.

2.4抗電磁干擾設(shè)計(jì)

AC線上的干擾由開關(guān)電源消除，但是其他連接線，比如連接傳感器的24 V供電線路，必須加相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)，具體電路如圖6所示，供電電路安裝在監(jiān)控器內(nèi)部，分別為監(jiān)控器和傳感器供電，這里只給出供電電路外部輸出端的電磁干擾部分電路，外部24 V輸出是供電電路中用于給傳感器供電的輸出端.

L1為共模電感，L2，L3為差模電感，分別用來抑制騷擾電場(chǎng)產(chǎn)生的共模干擾和差模干擾，電感的電感量應(yīng)盡可能大一些，這樣，抗干擾效果更好.D21是36 V的TVS管，C14是2 kV的高壓電容，當(dāng)線路中有高壓脈沖傳輸時(shí)，浪涌管會(huì)立即導(dǎo)通，經(jīng)過高壓電容將高壓脈沖從地線放掉，跨接在線間的安規(guī)電容，用來濾除供電線上的雜波，使供電更加穩(wěn)定.

圖6　抗電磁干擾設(shè)計(jì)圖

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7　脈沖充電波形圖

使用設(shè)計(jì)模塊的PCB電路板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，接入主備用電源，使用示波器查看備用電源線路上的充電波形如圖7所示，高電平為充電時(shí)間，低電平為放電時(shí)間，符合脈沖充電的波形.

短路保護(hù)及自恢復(fù)波形如圖8所示.電路正常供電情況下，將輸出端短路，由于電壓幅值過大，將示波器衰減系數(shù)設(shè)為10.當(dāng)短接輸出端時(shí)，電路切斷供電線路的時(shí)間在1 ms左右，撤除短接后，供電恢復(fù)正常，用時(shí)10 ms左右，能夠有效地保護(hù)元器件不受損壞.

圖8　短路保護(hù)及自恢復(fù)波形

抗電磁干擾中電快速瞬變脈沖群抗干擾度用pspice仿真進(jìn)行驗(yàn)證.圖9(a)為仿真電路圖，干擾源加在連接線之間，查看供電電路輸出端的電平變化.分別在信號(hào)源正極、L1的1端和共模電感輸出端放置探測(cè)點(diǎn)Ui，Um，V，仿真得到的電壓波形如圖9(b)所示.

圖9　電快速瞬變脈沖群干擾試驗(yàn)仿真

由圖9(b)可以看出，脈沖電壓經(jīng)過差模電感之后，由原先的1 000V降低為小于60V的脈沖，最大值只有58.394V，再經(jīng)過共模電感和濾波電容的作用，最終在受干擾設(shè)備處的電壓峰值最大只有353.563mV，這樣的電壓不會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞，有效地減弱了脈沖電壓的干擾，對(duì)電路起到保護(hù)作用.

本供電電路已經(jīng)被投入實(shí)際應(yīng)用，主要安裝在消防設(shè)備電源監(jiān)控器機(jī)殼中，主電源接入24V開關(guān)電源，備用電源接入24V蓄電池.首次通電，若先打開備用電源，無法開啟供電，必須打開主電源，才能開啟將備用電源接入，保證了主電源的優(yōu)先供電.電源接通后，供電線路板中各主備用電源指示燈被點(diǎn)亮，監(jiān)控器和傳感器都能正常工作，關(guān)閉主電源，切換到備用電源供電，依然保持供電正常，待蓄電池電量耗盡，打開主電源，持續(xù)24h，再次關(guān)閉，備用電源可以繼續(xù)供電，充電電路有效.短路供電輸出端，線路立刻被切斷，供電終止，待短路故障撤除，電路恢復(fù)正常工作狀態(tài).抗電磁干擾實(shí)驗(yàn)在檢驗(yàn)中心完成，電快速瞬變脈沖群抗干擾試驗(yàn)的具體試驗(yàn)條件如表1所示，對(duì)電源切換板產(chǎn)生干擾的主要是加在其他連接線上的干擾，監(jiān)控器在試驗(yàn)中，能夠保持正常的供電和監(jiān)視，試驗(yàn)完成后，整個(gè)系統(tǒng)基本功能與之前保持一致，說明抗電磁干擾電路濾除了干擾.

表1　電快速瞬變脈沖群抗干擾試驗(yàn)條件

4結(jié)束語

本文針對(duì)現(xiàn)有消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)供電電路的不足，設(shè)計(jì)了新的供電電路.電路采用模擬控制方式，反應(yīng)速度比數(shù)字控制方式更快，尤其表現(xiàn)在主備用電源切換和短路保護(hù)中.抗電磁干擾措施的加入，提高了整個(gè)供電電路的穩(wěn)定性，使得安裝此電路的消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下能穩(wěn)定運(yùn)行.本設(shè)計(jì)電路具有成本低、反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，提高了消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性.

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DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.03.004

收稿日期：2015-09-09

基金項(xiàng)目：浙江省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015F50024)

作者簡(jiǎn)介：葛俊(1990-)，男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生，集成電路設(shè)計(jì).通信作者：應(yīng)智花副教授，E-mail：yingzh@hdu.edu.cn.

中圖分類號(hào)：TU851

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-9146(2016)03-0018-05

Design of Power Supply Circuit of Power Monitoring System of Fire-fighting Equipment

GE Jun, YING Zhihua

(InstituteofNewElectronicDevicesandApplications,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：For the low reliability of the current supply circuit of the power monitoring system on the market, the one with continued stabilization state is designed. The circuit includes main and backup power switch, backup power charger, output short circuit protection, and electromagnetic interference design. The selection of important components is in detail. Experimental results show that the circuit achieves the effective protection of power lines. It has a high stability.

Key words：fire-fighting equipment supply; active and standby power switching; short circuit protection; electromagnetic interference