一種機(jī)載電壓浪涌發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳 林，宋金華，謝啟少，王 霞

(1.同方電子科技有限公司，江西 九江 332002； 2.九江市雙峰小學(xué)，江西 九江 332000)

0 引言

機(jī)載電壓浪涌發(fā)生器是用于機(jī)載用電設(shè)備進(jìn)行電壓浪涌測(cè)試的平臺(tái)，針對(duì)GJB181-86[1]或GJB181A-2003[2]兩種浪涌電壓指標(biāo)的測(cè)試[3]，在GJB181-86 中要求機(jī)載用電設(shè)備在輸入直流28 V正常工作時(shí)，承受過壓浪涌為80 V、脈寬50 ms、時(shí)間間隔為1 min，連續(xù)5次；欠壓浪涌為8 V、脈寬50 ms 、時(shí)間間隔為1 min，連續(xù)5次；在GJB181A-2003中要求機(jī)載用電設(shè)備在輸入直流28 V正常工作時(shí)，承受的過壓浪涌為50 V、脈寬50 ms、時(shí)間間隔為1 min，連續(xù)5次；欠壓浪涌為18 V、脈寬50 ms 、時(shí)間間隔為1 min，連續(xù)5次；設(shè)計(jì)的機(jī)載電壓浪涌發(fā)生器，采用兩路AC/DC電路和繼電器的靈活切換實(shí)現(xiàn)80 V、8 V、50 V、18 V種電壓浪涌輸出，同時(shí)通過8051f330實(shí)現(xiàn)浪涌電壓的脈沖寬及脈沖間隔等控制、實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)及試驗(yàn)進(jìn)程的顯示、輸入輸出異常的保護(hù)。

1 原理框圖

圖1為機(jī)載電壓浪涌發(fā)生器的原理框圖，在機(jī)載電壓浪涌發(fā)生器內(nèi)，主要包含兩路AC/DC模塊，EMI濾波器，輔助電源，微機(jī)單元，前面板(按鍵和指示燈)單元，脈沖輸出控制繼電器，串接并接控制電子開關(guān)。

圖1 機(jī)載電壓浪涌發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

圖2為機(jī)載電壓浪涌發(fā)生器的前面板圖，通過前面板的按鍵，以及微機(jī)單元的程序控制，實(shí)現(xiàn)GJB181-86[1]或GJB181A-2003[2]兩種規(guī)格的浪涌電壓，并通過相應(yīng)指示燈顯示其工作狀態(tài)。

圖2 機(jī)載電壓浪涌發(fā)生器前面板圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 性能指標(biāo)

1)電源適應(yīng)性：交流176～264 V，頻率：50±3 Hz。

2)電源輸出：28 V。

3)浪涌輸出：過壓浪涌80 V/50 ms、50 V/50 ms ；欠壓浪涌8 V/50 ms、18 V/50 ms 。

4)電流輸出：最大20 A。

5)保護(hù)：輸入過壓、欠壓保護(hù)；輸出過流、短路保護(hù)。

2.2 AC/DC電路設(shè)計(jì)

兩路AC/DC電源模塊都采用了相同的全橋移相軟開關(guān)電源電路，就是通過增加的一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)，使開關(guān)器件在零電壓時(shí)打開，在零電流狀態(tài)時(shí)關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，大大降低開關(guān)損耗，提高電源轉(zhuǎn)換效率吧。這樣就可降低開關(guān)損耗，從而提高電源效率。

如圖3所示，4個(gè)開關(guān)管(IRFP460)構(gòu)成全橋電路結(jié)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)芯片TC4427與驅(qū)動(dòng)變壓器構(gòu)成隔離驅(qū)動(dòng)電路。

圖3 全橋移相功率開關(guān)關(guān)部分電路圖

如圖4所示，為全橋移向控制芯片UC3875電路，芯片的8、9腳及13、14腳輸出開關(guān)管控制信號(hào)。根據(jù)芯片3腳所接的反饋電壓來控制開關(guān)管方波信號(hào)的移相角來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出(如5所示)。通過其5、6腳所接的比較器及整流電路來實(shí)現(xiàn)過流或短路保護(hù)，當(dāng)有過流或其他故障時(shí)6腳電壓被拉低，電源輸出降低進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)輸出有短路或其他故障時(shí)，比較器輸出一個(gè)高電平至UC3875的5腳，電源輸出關(guān)閉鎖死進(jìn)行保護(hù)。

圖4 控制芯片UC3875電路

圖5 移相控制時(shí)序圖

AC/DC變換電路輸出端整流濾波電路如圖6所示。

圖6 輸出整流濾波電路

輸出整流管采用肖特基二極管，肖特基二極管有較小的管壓降，可以進(jìn)一步提高電源轉(zhuǎn)換效率。儲(chǔ)能電感值的計(jì)算式為：L=(VL*Δt)/Δi;L為電感值，VL為電感電壓值，Δt為導(dǎo)通時(shí)間，Δi為導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)電流的變化。濾波電容值的計(jì)算式為：C=(ΔI*ton)/ΔV,C為電容值，ΔI為導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)電流的變化，Δt為導(dǎo)通時(shí)間，ΔV紋波電壓。

2.3 單片機(jī)8051F330電路設(shè)計(jì)

C8051F330是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU 芯片, 片內(nèi)有上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、時(shí)鐘振蕩器、可編程數(shù)字I/O和交叉開關(guān)(Crossbar) 、可編程計(jì)數(shù)器/ 定時(shí)器陣列(PCA) 、10 位高速ADC/ DAC、8 kB 可編程FLASH 存儲(chǔ)器, 768B片內(nèi)RAM, 具有高速度(MIPS) 、微型封裝(4 mm *4 mm), 且內(nèi)置溫度傳感器(±3℃), 且C8051F330是一個(gè)與8051 全兼容的內(nèi)核，其工作電壓為2.7～3.6 V。

如圖7所示，單片機(jī)8051F330的1腳懸空，2腳接地GND,3腳與3.3 V電源連接，4腳和5腳與JTAG口連接，6～10腳與前面板6個(gè)指示燈連接，11腳與前面板待機(jī)按鍵連接，12腳與前面板過/欠壓連接，13腳與前面板86/03標(biāo)準(zhǔn)按鍵連接，14腳與與前面板啟動(dòng)按鍵連接，18腳與19腳分別與兩路AC/DC輸出連接，16腳與17腳可作串口調(diào)試用。

圖7 單片機(jī)電路及管腳配置

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序流程圖

圖8 程序流程圖

圖8為機(jī)載電壓浪涌發(fā)生器的程序流程圖，在程序框圖內(nèi)，微機(jī)單元首先判斷是GJB181-86還是GJB181A-2003測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其次判斷是過壓還是欠壓測(cè)試，然后微機(jī)單元根據(jù)接受到的啟動(dòng)按鍵命令信號(hào)，實(shí)現(xiàn)輸出對(duì)應(yīng)規(guī)格的脈沖電壓，并連續(xù)5次輸出50 ms脈寬的脈沖電壓，最后當(dāng)微機(jī)單元檢測(cè)到底5次脈沖電壓輸出完畢，程序自動(dòng)關(guān)閉浪涌發(fā)生器工作，轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài)，整個(gè)工作進(jìn)程中均以相應(yīng)的指示燈顯示其狀態(tài)。

3.2 浪涌輸出控制

在不同標(biāo)準(zhǔn)及不同浪涌輸出情況下，兩路AC/DC電源電壓輸出不同的電壓值。

如表1及圖9所示，單片機(jī)通過控制V1、V2及K1、K2繼電器來實(shí)現(xiàn)不同的脈沖輸出。

表1 兩路AC/DC輸出電壓真值表

圖9 浪涌脈沖輸出控制電路

1)當(dāng)按86標(biāo)準(zhǔn)輸出過壓脈沖時(shí)，K1繼電器吸合，B1、B2電源模塊處于串聯(lián)輸出模式。B1輸出電壓為52V，B2電源模塊輸出電壓為28 V。過壓浪涌試驗(yàn)時(shí)設(shè)備輸出正常的28 V電壓(K2斷開，B2模塊供電)，當(dāng)單片機(jī)輸出50 ms的浪涌脈沖時(shí)，該脈沖信號(hào)控制K2導(dǎo)通，則設(shè)備輸出相應(yīng)的幅度為80 V脈寬為50 ms的過壓浪涌。

2)當(dāng)按03標(biāo)準(zhǔn)輸出過壓脈沖時(shí)，K1繼電器斷開，B1模塊的負(fù)極通過該繼電器接地，B1、B2電源模塊處于并出模式。B1輸出電壓為50 V，B2電源模塊輸出電壓為28 V。過壓浪涌試驗(yàn)時(shí)設(shè)備輸出正常的28 V電壓(K2斷開，B2模塊供電)，當(dāng)單片機(jī)輸出50 ms的浪涌脈沖時(shí)，該脈沖信號(hào)控制K2導(dǎo)通，則設(shè)備輸出相應(yīng)的幅度為50 V脈寬為50 ms的過壓浪涌。

3)當(dāng)按86標(biāo)準(zhǔn)輸出過壓脈沖時(shí)，K1繼電器斷開，B1模塊的負(fù)極通過該繼電器接地，B1、B2電源模塊處于并出模式。B1輸出電壓為28 V，B2電源模塊輸出電壓為8 V。欠壓浪涌試驗(yàn)時(shí)設(shè)備輸出正常的28 V電壓(K2吸合，B1模塊供電)，當(dāng)單片機(jī)輸出50 ms的浪涌脈沖時(shí)，該脈沖信號(hào)控制K2斷開，則設(shè)備輸出相應(yīng)的幅度為8 V脈寬為50 ms的欠壓浪涌。

4)當(dāng)按03標(biāo)準(zhǔn)輸出過壓脈沖時(shí)，K1繼電器斷開，B1模塊的負(fù)極通過該繼電器接地，B1、B2電源模塊處于并出模式。B1輸出電壓為28 V，B2電源模塊輸出電壓為18 V。欠壓浪涌試驗(yàn)時(shí)設(shè)備輸出正常的28 V電壓(K2吸合，B1模塊供電)，當(dāng)單片機(jī)輸出50 ms的浪涌脈沖時(shí)，該脈沖信號(hào)控制K2斷開，則設(shè)備輸出相應(yīng)的幅度為18 V脈寬為50 ms的欠壓浪涌。

3.3 AC/DC輸出電壓控制

如表1所示，通過控制信號(hào)V1、V2來控制B1、B2的不同輸出電壓。器輸出電壓控制電路如圖10所示。

圖10 B1模塊輸出電壓控制電路圖

如圖10、圖11所示，為B1和B2模塊的部分電壓反饋網(wǎng)絡(luò)電阻電路，通過單片機(jī)輸出的控制信號(hào)V1、V2的組合來改變相應(yīng)模塊的電壓反饋電阻的對(duì)地阻值得到需要的輸出電壓。分壓電阻的取值依據(jù)公式：Vout=VREF×(R3+R并)/R并(其中VREF=5 V,R并=R4//R控制)。

圖11 B2模塊輸出電壓控制電路圖

3.4 脈沖輸出控制

浪涌電壓是由單片機(jī)輸出的相應(yīng)脈沖信號(hào)控制輸出繼電器K2得到，脈沖信號(hào)時(shí)序如圖12所示。

圖12 脈沖信號(hào)時(shí)序圖序圖

如圖12所示，過壓浪涌脈沖信號(hào)時(shí)一個(gè)正脈沖信號(hào)，脈寬為50 ms，每?jī)蓚€(gè)脈沖的時(shí)間間隔為1 min；欠壓浪涌脈沖信號(hào)時(shí)一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)，脈寬為50 ms，每?jī)蓚€(gè)脈沖的時(shí)間間隔為1分鐘。

3.5 指示控制

當(dāng)選擇好過壓或欠壓試驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，對(duì)應(yīng)的過壓/欠壓指示燈亮；當(dāng)選擇好80 V/8 V或50 V/18 V標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，由對(duì)應(yīng)的指示燈進(jìn)行指示。

在設(shè)備開機(jī)后單片機(jī)控制待機(jī)指示燈閃爍，表示設(shè)備下待機(jī)狀態(tài)下，試驗(yàn)時(shí)按一下浪涌啟動(dòng)按鍵；待機(jī)指示燈熄滅，同時(shí)第一個(gè)進(jìn)程指示燈閃爍，表示即將輸出第一個(gè)浪涌脈沖；第一個(gè)浪涌脈沖輸出后，第一個(gè)進(jìn)程指示燈常亮，同時(shí)第二個(gè)進(jìn)程指示燈閃爍，表示即將輸出第二個(gè)浪涌脈沖，如此依次指示完5個(gè)浪涌脈沖輸出后再轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài)，5個(gè)進(jìn)程指示燈熄滅，待機(jī)指示燈閃爍。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

機(jī)載浪涌發(fā)生器proteus仿真電路如圖13所示，通過仿真可以驗(yàn)證程序?qū)崿F(xiàn)的功能，主要有工作狀態(tài)顯示、按鍵檢測(cè)與控制輸出電壓及工作異常的保護(hù)。

圖13 機(jī)載浪涌發(fā)生器控制程序proteus仿真圖

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想制作出的電壓浪涌發(fā)生器，可以對(duì)機(jī)載設(shè)備進(jìn)行浪涌試驗(yàn)，兩個(gè)AC/DC模塊的轉(zhuǎn)換效率分別約93%、92%，具有操作簡(jiǎn)單，體積小重量輕等優(yōu)點(diǎn)。被測(cè)設(shè)備(500 W設(shè)備)的供電電源線接至浪涌發(fā)生器的輸出接線端，啟動(dòng)測(cè)試，通過輸出波形分析，表明了浪涌發(fā)生器能夠滿足機(jī)載用電設(shè)備的浪涌電壓測(cè)試要求。其輸出電壓浪涌波形如圖14所示。

圖14 GJB 181-86標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試過壓/欠壓浪涌波形圖

圖14是機(jī)載浪涌發(fā)生器按GJB 181-86標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的過壓/欠壓輸出浪涌波形圖，其中圖(a)是過壓浪涌波形圖，從圖中可以讀出浪涌電壓脈寬為50 ms,幅值為80 V；圖(b)是5次過壓浪涌實(shí)驗(yàn)的整波形圖，從圖中可以讀出，一次試驗(yàn)有5次過壓浪涌電壓發(fā)生，每相鄰兩次浪涌電壓間隔1 min，當(dāng)?shù)?次浪涌電壓發(fā)生完成后，浪涌發(fā)生器自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，并以待機(jī)指示燈顯示。

圖14(c)是欠壓浪涌波形圖，從圖中可以讀出浪涌電壓脈寬為50 ms,幅值為8 V；圖(d)是5次欠壓浪涌實(shí)驗(yàn)的波形圖，從圖中可以讀出，一次試驗(yàn)有5次過壓浪涌電壓發(fā)生，每相鄰兩次浪涌電壓間隔1 min。當(dāng)?shù)?次浪涌電壓發(fā)生完成后，浪涌發(fā)生器自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，并以待機(jī)指示燈顯示。

圖15是機(jī)載浪涌發(fā)生器按GJB 181-86標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的過壓/欠壓輸出浪涌波形圖，其中圖(a) 是過壓浪涌波形圖，從圖中可以讀出浪涌電壓脈寬為50 ms,幅值為50 V；圖(b)是5次過壓浪涌實(shí)驗(yàn)的整波形圖，從圖中可以讀出，一次試驗(yàn)有五次過壓浪涌電壓發(fā)生，每相鄰兩次浪涌電壓間隔1分鐘，當(dāng)?shù)谖宕卫擞侩妷喊l(fā)生完成后，浪涌發(fā)生器自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，并以待機(jī)指示燈顯示。

圖15(c)是欠壓浪涌波形圖，從圖中可以讀出浪涌電壓脈寬為50 ms,幅值為18 V；圖(d)是5次欠壓浪涌實(shí)驗(yàn)的波形圖，從圖中可以讀出，一次試驗(yàn)有5次過壓浪涌電壓發(fā)生，每相鄰兩次浪涌電壓間隔1 min。當(dāng)?shù)?次浪涌電壓發(fā)生完成后，浪涌發(fā)生器自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，并以待機(jī)指示燈顯示。

圖15 GJB181A-2003標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試過壓/欠壓浪涌波形圖

5 結(jié)論

圍繞機(jī)載浪涌發(fā)生器硬件和軟件的工作原理進(jìn)行介紹,首先對(duì)其硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為了滿足GJB 181-86和GJB 181A-2003的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了兩路高效移相AC/DC變換電路，可以同時(shí)輸出兩種規(guī)格電壓，然后通過燒錄到微機(jī)單元中C8051f330的程序，能夠檢測(cè)到按鍵信號(hào)并通過I/O口輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)兩路AC/DC變換電路的串聯(lián)/并接，并通過脈沖輸出控制繼電器的閉合實(shí)現(xiàn)輸出所要求的脈沖電壓。通過proteus軟件對(duì)機(jī)載浪涌發(fā)生器的控制程序進(jìn)行了仿真，對(duì)電路和程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試等有重要參考價(jià)值。同時(shí)也根據(jù)浪涌發(fā)生器的設(shè)計(jì)原理制作了樣機(jī)，最后通過樣機(jī)加電調(diào)試，并測(cè)輸出波形，驗(yàn)證了浪涌發(fā)生器能夠可以輸出滿足滿足GJB 181-86和GJB 181A-2003標(biāo)準(zhǔn)的電壓浪涌，即滿足機(jī)載用電設(shè)備對(duì)耐浪涌電壓的測(cè)試要求。