電教多媒體設(shè)備的節(jié)能電源設(shè)計與實現(xiàn)

范鋆　何明勝

摘 要： 供電模塊是電教多媒體設(shè)備的基礎(chǔ)單元，為了降低電教多媒體設(shè)備功耗，進行節(jié)能電源設(shè)計，提出一種基于分散控制系統(tǒng)的節(jié)能電源設(shè)計方案。采用低功耗的STM32F101xx芯片作為微處理器中央控制單元，節(jié)能電源系統(tǒng)模塊包括功率放大模塊、驅(qū)動模塊、過流過壓保護模塊和接口部分；采用現(xiàn)代MOS技術(shù)進行過流過壓保護，設(shè)置數(shù)字隔離器提高電源功能的穩(wěn)壓性能；采用DCS分散控制，降低射頻干擾，實現(xiàn)節(jié)能電源優(yōu)化設(shè)計。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的電教多媒體設(shè)備的節(jié)能電源具有較高的輸出電壓峰峰值，功耗較低，供電穩(wěn)定性較強，節(jié)能效果較好。

關(guān)鍵詞： 電教多媒體設(shè)備； 節(jié)能電源； 過壓保護； 分散控制系統(tǒng)

中圖分類號： TN86?34； TM762 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）16?0180?03

Abstract： The power supply module is a basic unit of the electrified?education multimedia equipment. In order to reduce the power consumption of the electrified?education multimedia equipment and design the energy?saving power supply， an energy?saving power supply design scheme based on distributed control system （DCS） is proposed. The low?power consumption STM32F101xx chip is taken as the central control unit of the microprocessor. The energy?saving power supply system module includes the power amplification module， driver module， overcurrent and overvoltage protection module， and interface module. The modern MOS technology is used to conduct the overcurrent and overvoltage protection. The digital isolator is set to improve the voltage stabilization performance of the power supply. The DCS is adopted to reduce the radio frequency interference， and realize the optimization design of the energy?saving power supply. The experimental results show that the designed energy?saving power supply of the electrified?education multimedia equipment has high peak?to?peak value of output voltage， low power consumption， strong power supply stability， and good energy?saving effect.

Keywords： electrified?education multimedia equipment； energy?saving power supply； overvoltage protection； distributed control system

隨著多媒體教學(xué)的推廣和普及，電教多媒體設(shè)備在中小學(xué)及高等教育教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，電教多媒體設(shè)備是保障多媒體教學(xué)的機電一體化設(shè)備，包括了電動幕布的啟動系統(tǒng)、投影儀控制系統(tǒng)、音箱功放控制系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)控制系統(tǒng)等。這些設(shè)備需要一套穩(wěn)定持續(xù)的電源供電支持，由于電教多媒體設(shè)備的使用周期較長，對供電電源的持續(xù)性和穩(wěn)定性要求較高，研究電教多媒體設(shè)備的節(jié)能電源設(shè)計對促進設(shè)備的穩(wěn)定運行具有基礎(chǔ)性意義，相關(guān)的電源設(shè)計方案受到人們的極大重視[1]。為了降低電教多媒體設(shè)備功耗，本文提出一種基于分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）的節(jié)能電源設(shè)計方案，實現(xiàn)電源優(yōu)化設(shè)計。

1 電源整體設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析

電教多媒體設(shè)備的節(jié)能電源設(shè)計中，首先對輸入的220 V電源進行收發(fā)轉(zhuǎn)換控制和功率放大處理，通過串口RS 232進行總線控制，進行系統(tǒng)的總體模型設(shè)計。系統(tǒng)的功能模塊主要包括了外部I/O設(shè)備、輸入200 V電源接入、功率放大模塊、DCS分散控制模塊、過壓保護控制模塊和上位機通信模塊等，采用低功耗的STM32F101xx芯片作為微處理器中央控制單元[2]。系統(tǒng)要實現(xiàn)對電教多媒體設(shè)備的電源穩(wěn)壓、 串口RS 232通信和功率放大功能。根據(jù)上述設(shè)計思想和原理分析，得到本文設(shè)計的電教多媒體設(shè)備的節(jié)能電源系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

結(jié)合圖1所示的節(jié)能電源的整體設(shè)計圖進行節(jié)能電源工作流程和功能模塊化分析，分別描述如下：

（1） 220 V接入電源提供整個電教多媒體設(shè)備的初始電源，為整個節(jié)能電源的設(shè)備控制提供供電輸入。

（2） 功率放大模塊滿足電教多媒體設(shè)備的VXI總線數(shù)據(jù)觸發(fā)和功率放大功能，采用電容式傳感器設(shè)備進行電源輸入的檢波設(shè)計，主要作用是實現(xiàn)防雷擊接地保護控制。采用雙路電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換芯片，在末級放大器輸出交流信號，變換成只有正半軸有值的信號，提高電源的輸出功率增益[3]。endprint

（3） DCS主控電路模塊。其主要作用是對運放電源輸入的I/O動態(tài)功耗進行反相放大，把檢波器輸出的接地保護信號變換成直流信號，在驅(qū)動模塊中進行睡眠、停機和待機三種模式的選擇控制。

（4） 自動增益控制的主要作用是通過設(shè)計PCI總線及橋接電路，根據(jù)采樣值幅度調(diào)整直流放大器輸出的直流信號大小，而自動改變電教多媒體設(shè)備的供電輸入功率I/O端口，讀取的采樣值在自動增益控制進行信號幅值檢測濾波，實現(xiàn)了自動增益控制，滿足電教設(shè)備的低電壓啟動需求。另外，在電源設(shè)計中，還需要設(shè)置數(shù)字隔離器提高電源功能的穩(wěn)壓性能[4]，采用DCS分散控制，提高電壓保護能力。根據(jù)上述功能分析，得到本文設(shè)計的電教多媒體設(shè)備的節(jié)能電源工作流程圖如圖2所示。根據(jù)上述對電教多媒體設(shè)備的節(jié)能電源的總體設(shè)計和結(jié)構(gòu)分析，進行節(jié)能電源的低功耗設(shè)計。

2 電源硬件設(shè)計

2.1 節(jié)能電源的功耗最優(yōu)化分析

結(jié)合圖1和圖2所述的總體框圖構(gòu)架與系統(tǒng)工作流程，進行電教多媒體設(shè)備的電源硬件設(shè)計，本文提出一種基于分散控制系統(tǒng)的節(jié)能電源設(shè)計方案，采用低功耗的STM32F101xx芯片作為微處理器中央控制單元，進行電教多媒體設(shè)備的節(jié)能的輸入功率和功耗控制。在硬件設(shè)計時，使用低功耗技術(shù)，有效地消除直流偏置[5]，考慮節(jié)能電源的嵌入式DCS的輸入控制信號幅值較低，頻率處于低頻，采用靜態(tài)功耗抑制方法，進行功率因數(shù)修正，進行節(jié)點電源的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗的匹配，電源的靜態(tài)功耗[Pspc]和動態(tài)功耗[Pdpc]計算公式分別為：

2.2 節(jié)能電源的電路設(shè)計

節(jié)點電源電路設(shè)計主要是對功率放大模塊、驅(qū)動模塊、過流過壓保護模塊和接口部分的電路進行集成設(shè)計。在電源的功率放大模塊設(shè)計中，STM32F101xx給予相應(yīng)的晶振，當(dāng)電教多媒體設(shè)備進入低電流待機模式，采用復(fù)位電路實現(xiàn)總線與電源及地之間的短路保護，確保電源輸入節(jié)點到總線的電器隔離，CAN總線加載電路由2 片16 b寬度的32 MB SDRAM 組成，由此實現(xiàn)功率放大模塊電路設(shè)計，如圖3所示。

在電源的驅(qū)動模塊設(shè)計中，通過ADUM1201管腳接47 kΩ，運放供電12 V和-12 V。輸入電源首先通過一個瞬態(tài)二極管進行電源濾波，隔離電源要求扼制電流突變和濾除高頻噪聲，降低射頻干擾。采用防電磁輻射的隔離CAN收發(fā)器得到5 V輸出接口電源，為了消除CAN電源上的瞬態(tài)沖擊，采用晶振芯片82C250進行電源驅(qū)動設(shè)計，使得節(jié)能電源免受過流的沖擊，得到驅(qū)動電路模塊設(shè)計如圖4所示。

過流過壓保護模塊用現(xiàn)代MOS技術(shù)進行設(shè)計，采用直插式開關(guān)電容低通濾波器設(shè)計過流保護隔直流電路，其中低通截止頻率[fc]的變化范圍為40～20 kHz，阻帶衰減大于51 dB，正電源輸入端與BUFFIN端相連，通過BUFFOUT端輸出開關(guān)電容濾波電壓。在過流過壓保護模塊設(shè)計中，電教多媒體設(shè)備節(jié)能電源的輸出電壓是經(jīng)由二極管[D2]傳送到輸出端，當(dāng)輸出電壓[Vo]不為零對應(yīng)于[D1]的截止?fàn)顟B(tài)。綜上描述，得到過流過壓保護電路設(shè)計如圖5所示。在接口電路中，采用DCS分散控制，實現(xiàn)了電教多媒體設(shè)備的節(jié)能電源優(yōu)化設(shè)計。

3 實驗測試分析

在電路調(diào)試實驗中，起控點是由直流放大器輸出的直流電平來控制，輸入電壓Vipp的范圍為150～230 V，測試輸出電壓的峰峰值為[Vopp]，計算輸出功率增益，得到測試結(jié)果見表1。

圖6給出了不同方法設(shè)計的電源進行電教多媒體設(shè)備供電的輸出電壓峰峰值響應(yīng)曲線。

分析表1和圖6的結(jié)果得知，采用本文方法設(shè)計的電源具有較高的輸出增益，消耗的功耗較低，輸出電壓的穩(wěn)定性較強，說明電源的可靠性較高，實現(xiàn)節(jié)能設(shè)計。

4 結(jié) 語

本文提出一種基于分散控制系統(tǒng)（DCS）的節(jié)能電源設(shè)計方案，采用低功耗的STM32F101xx芯片作為微處理器中央控制單元。重點對功率放大模塊、驅(qū)動模塊、過流過壓保護模塊和接口部分進行設(shè)計。采用DCS分散控制，降低射頻干擾，實現(xiàn)節(jié)能電源優(yōu)化設(shè)計。測試表明，設(shè)計的電教多媒體設(shè)備的節(jié)能電源具有較高的輸出電壓峰峰值，功耗較低，供電穩(wěn)定性較強，節(jié)能效果較好，使用價值較高。

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