基于單片機(jī)的電源檢測子板在某電源模塊中的應(yīng)用和分析

華雷 許濤 王旭升

摘 ?要：隨著電子信息技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，電子信息設(shè)備對電源模塊的要求越來越高，電源模塊的可靠性、安全性和可維護(hù)性也越來越受到人們的關(guān)注。相應(yīng)地，工程師們也愈發(fā)重視電源檢測在電源模塊中的應(yīng)用。文章闡述了電源檢測子板的主要組成及各部分的具體設(shè)計(jì)思路，概述了電源模塊的系統(tǒng)組成及工作原理。

關(guān)鍵詞：電源檢測;單片機(jī);電源模塊

中圖分類號：TP368 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2022）05-0046-04

Application and Analysis of Power Detection Sub Board Based on Single-chip Microcomputer in a Power Module

HUA Lei， XU Tao， WANG Xusheng

（Sichuan Jiuzhou Aerocont Technologies Co.， Ltd.， Mianyang ?621000， China）

Abstract： With the rapid development of electronic information technology and communication technology， the requirements of electronic information equipment for power module are getting higher and higher， and the reliability， security and maintainability of power module are getting more and more attention. Accordingly， engineers are paying more and more attention to the application of power detection in power module. This paper expounds the main components of the power detection sub board and the specific design ideas of each part， and summarizes the system composition and working principle of the power module.

Keywords： power detection; single-chip microcomputer; power module

0 ?引 ?言

傳統(tǒng)電源模塊的內(nèi)部檢測一般是通過硬件電路設(shè)計(jì)，將每路的輸出電壓通過電阻分壓或模數(shù)轉(zhuǎn)換的方式傳送至檢測端口，然后用萬用表手動測量，得到電源模塊的輸出電壓信息。采用該測量方式無法獲取足夠的電源參數(shù)（僅限電源模塊的輸出電壓值），而且不直觀明了。而本文中的電源檢測子板則是采用單片機(jī)與其他檢測芯片相結(jié)合的方式，通過與上位機(jī)的串口通信/網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)對電源模塊電壓、電流、溫度和工作時(shí)間等多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測;同時(shí)，上位機(jī)還可以根據(jù)工作需要對電源模塊中各路的輸出電壓進(jìn)行通斷控制，實(shí)現(xiàn)遙控開關(guān)。

本文中的電源檢測子板安裝在電源模塊內(nèi)部，通過連接器與電源模塊連接，通過螺釘螺柱得以加固處理。電源檢測子板便于插拔和移植。該電源模塊通過前端EMC濾波、PFC校正、整流及DC/DC轉(zhuǎn)換等電路給該電子系統(tǒng)供電，篇幅所限，本文主要闡述電源檢測子板和電源模塊的組成和原理。

1 ?電源檢測子板

1.1 ?概述

電源檢測子板以嵌入的方式安裝在電源模塊內(nèi)部，通過與電源模塊內(nèi)部各采樣點(diǎn)的硬件電路連接以及經(jīng)過電源檢測子板內(nèi)單片機(jī)軟件的編譯，完成對電源模塊各路輸出電壓、電流、溫度和工作時(shí)間等多個(gè)參數(shù)的檢測并以一定的周期上報(bào)上位機(jī)。同時(shí)，上位機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)遙控開關(guān)功能。

1.2 ?組成

電源檢測子板主要由單片機(jī)、AD數(shù)字采樣、數(shù)字溫度傳感器、232電平轉(zhuǎn)換、485電平轉(zhuǎn)換和網(wǎng)絡(luò)模塊等組成，如圖1所示。電源檢測子板核心器件為STC系列單片機(jī)，通過與外圍其他數(shù)字芯片的連接和通信，完成對電源模塊檢測的功能。

圖1 ?電源檢測子板的組成

1.3 ?設(shè)計(jì)思路

1.3.1 ?STC單片機(jī)的設(shè)計(jì)

STC單片機(jī)為電源檢測子板的核心處理芯片，選用STC15W4K32S4系列的單片機(jī)，STC15W4K32S4系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T），是寬電壓/高速/高可靠/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，采用STC第九代加密技術(shù)，無法解密，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，速度上提高8～12倍。該系列單片機(jī)的工作電壓寬（+2.5 V～+5.5 V），可兼容+3.3 V和+5 V的電平，可內(nèi)部ISP編程5 M～30 MHz時(shí)鐘（可徹底省掉外部晶振和復(fù)位電路），擁有4組獨(dú)立的高速異步串行通信串口;除Vcc和Gnd引腳外，該系列單片機(jī)的其余端口均可配置為標(biāo)準(zhǔn)I/O口[1]。

本文的電源檢測子板中，所選用STC單片機(jī)的P2和P3端口與AD數(shù)字采樣芯片相連接，完成電源模塊電壓電流的模數(shù)轉(zhuǎn)換;串口1可通過RS232轉(zhuǎn)換器進(jìn)行ISP下載編程，便于系統(tǒng)的調(diào)試;串口2可通過485差分電路與上位機(jī)通信，周期上報(bào)電源模塊內(nèi)部的電壓、電流和溫度等信息，并在系統(tǒng)的操作界面上顯示上報(bào)信息;串口3通過網(wǎng)絡(luò)模塊與遠(yuǎn)端操控界面相連接，可實(shí)現(xiàn)對電源模塊的遠(yuǎn)程控制[2]。

1.3.2 ?AD數(shù)字采樣的設(shè)計(jì)

AD數(shù)字采樣芯片采用ADI公司的AD7891AS-1芯片，該芯片是一款8通道12位高速轉(zhuǎn)換的AD轉(zhuǎn)換芯片，可以對±10 V范圍內(nèi)的模擬值進(jìn)行采樣，功耗低，轉(zhuǎn)換速度快。

在該電源檢測子板中，主要是對電源模塊內(nèi)部的電壓和電流進(jìn)行采樣，將模擬值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過與單片機(jī)的通信以及數(shù)字信號處理完成對電壓電流的數(shù)字采樣。

1.3.3 ?網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)模塊采用MOXA公司的MIINEPORTE2-T，該組件可以實(shí)現(xiàn)串口通信和網(wǎng)絡(luò)通信的轉(zhuǎn)換功能，支持+3.3 V和+5 V兩種供電方式，該組件的默認(rèn)IP為192.168.127.254，通信格式可在線配置。

在該電源檢測子板中，網(wǎng)絡(luò)模塊通過與STC單片機(jī)的連接和通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和串口通信的轉(zhuǎn)換，STC單片機(jī)通過接收遠(yuǎn)程控制界面的網(wǎng)絡(luò)命令，并對命令進(jìn)行解析和處理，實(shí)現(xiàn)對電源模塊工作狀態(tài)的控制。

1.3.4 ?其他部分的設(shè)計(jì)

電源檢測子板中還包含數(shù)字溫度傳感器、232電平轉(zhuǎn)換和485電平轉(zhuǎn)換等部分。數(shù)字溫度傳感器選用AD7416ARM芯片，通過IIC與單片機(jī)通信，溫度傳感器內(nèi)置于電源模塊內(nèi)部發(fā)熱量較大的區(qū)域，以便工作時(shí)實(shí)時(shí)反映電源模塊內(nèi)部的溫度情況[3]。232電平轉(zhuǎn)換和485電平轉(zhuǎn)換選用Maxim公司的轉(zhuǎn)換芯片，一路用于單片機(jī)的ISP編程，一路用于與系統(tǒng)處理模塊的通信。

2 ?電源模塊

2.1 ?概述

電源模塊主要完成對電子設(shè)備系統(tǒng)的供電。各路輸出電壓回路具有完善的過壓、過流和短路保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)高壓供電部分和低壓供電部分上電時(shí)序控制;具備網(wǎng)絡(luò)通信接口，可實(shí)現(xiàn)模塊開關(guān)遠(yuǎn)程控制;可將電源模塊設(shè)置為本地工作狀態(tài)或遠(yuǎn)程遙控工作狀態(tài);電源模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)測各組電壓對應(yīng)的電壓值和電流值，并將采樣數(shù)據(jù)上傳。

2.2 ?組成

電源模塊[4]主要由輸入濾波整流單元、電源轉(zhuǎn)換單元、電源檢測單元和輸出濾波單元等組成。組成框圖如圖2所示，具體功能框圖如圖3所示。

圖2 ?電源模塊的組成框圖

圖3 ?電源模塊的功能框圖

電源模塊通過面板硬開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)本地控制，交流電經(jīng)過EMI濾波電路和PFC校正電路后，經(jīng)過各級DC/DC電壓轉(zhuǎn)換和濾波得到各路輸出電壓。電源檢測子板由輔助電源供電，對電源模塊內(nèi)部的電壓、電流和溫度等自檢信息進(jìn)行內(nèi)部數(shù)字處理，并與系統(tǒng)處理模塊通信，同時(shí)可以接收遠(yuǎn)程操作界面的控制指令，完成對電源模塊的遠(yuǎn)程控制。

電源模塊器件布局及走線遵循5個(gè)基本原則：

（1）器件布局高壓與低壓分離。（2）電源模塊原邊與副邊隔離。（3）大功率DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出盡可能靠近輸出端。（4）電源走線寬度在允許的條件下盡可能寬。（5）電源印制板銅箔采用2oZ厚度，以降低走線壓降及發(fā)熱損耗。

2.3 ?設(shè)計(jì)思路

2.3.1 ?輸入EMI濾波電路

為了抑制電源輸入端傳導(dǎo)和輻射干擾，輸入端加入EMI濾波電路，其內(nèi)部電路原理圖如圖4所示，為滿足產(chǎn)品的輻射干擾標(biāo)準(zhǔn)，通過對共模濾波電感、X和Y電容的設(shè)計(jì)，將高頻傳導(dǎo)噪聲抑制在機(jī)殼內(nèi)。

輸入交流EMI濾波器采用三級EMI濾波電路結(jié)構(gòu)，共模濾波電感配合差模濾波電容，可滿足實(shí)際使用過程中電磁兼容的需求，在保證設(shè)備正常功能的前提下具有良好的電磁兼容特性。

圖4 ?輸入EMI濾波電路

2.3.2 ?輸入防雷電路

交流輸入防雷電路如圖5所示，主要防雷電路由壓敏電阻MOV1～MOV3和放電管G1構(gòu)成，可在交流電源輸入端收到感應(yīng)雷擊時(shí)起到過壓保護(hù)功能。

圖5 ?交流輸入防雷電路

2.3.3 ?交流輸入變換電路

外部電源輸入為220V AC時(shí)，考慮到大功率電源工作帶來的空間電磁干擾、傳導(dǎo)輻射干擾和功率損耗等相關(guān)問題，在電源最前端加入單級PFC（功率因數(shù)校正）校正電路，大大提高電源模塊的轉(zhuǎn)換效率，降低發(fā)熱損耗，電源輸入功率因數(shù)可達(dá)到0.95以上，極大地消除了電源輸入端各次諧波含量，降低了空間電磁輻射干擾。該電路內(nèi)部工作原理框圖如圖6所示[5]。

圖6 ?PFC電路內(nèi)部原理框圖

加入PFC功率校正電路工作前后的輸入電流波形如圖7、圖8和圖9所示。圖7和圖8為電源模塊帶阻容負(fù)載和阻感負(fù)載情況下的輸入電流波形，可以看到電流波形畸變嚴(yán)重，諧波含量大，會對系統(tǒng)帶來大量諧波干擾及空間電磁輻射。圖9為加入PFC校正電路后輸入電流波形圖，無論負(fù)載端為哪種負(fù)載特性，畸變的輸入電流均能被校正為正弦波，極大地降低了系統(tǒng)諧波含量和電磁干擾，同時(shí)提高輸入功率因數(shù)，降低了線路傳輸損耗，增加了傳輸效率。

圖7 ?阻容負(fù)載輸入電流波形

圖8 ?阻感負(fù)載輸入電流波形

圖9 ?校正后輸入電流波形

2.3.4 ?DC/DC轉(zhuǎn)換電路

DC/DC轉(zhuǎn)換采用反激式+同步整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]，通過功率變壓器的耦合和隔離作用在二次側(cè)得到準(zhǔn)方波電壓，然后經(jīng)整流和濾波輸出得到所需的電壓，該電壓再經(jīng)電壓反饋電路，調(diào)節(jié)占空比以達(dá)到輸出電壓恒定的目的。輸入端具有欠壓、過壓保護(hù)電路，輸出端具有過壓、過流、短路保護(hù)電路，DC/DC轉(zhuǎn)換電路框圖如圖10所示。

圖10 ?DC/DC轉(zhuǎn)換電路框圖

3 ?結(jié) ?論

本文中的電源檢測子板通過嵌入安裝的方式，可以完成對電源模塊電壓、電流、溫度和工作時(shí)間等參數(shù)的檢測，實(shí)現(xiàn)對電源模塊的實(shí)時(shí)檢測功能，大大降低了故障定位的時(shí)間，并且已在本文的電源模塊中得到充分的驗(yàn)證。因此，根據(jù)本文的分析和論述，基于單片機(jī)的電源檢測子板可以廣泛應(yīng)用于各種電子信息設(shè)備的電源模塊中。

參考文獻(xiàn)：

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[6] 馬洪濤，沙占友，周芬萍，等.開關(guān)電源制作與調(diào)試 [M].北京：中國電力出版社，2014.

作者簡介：華雷（1992—），男，漢族，江西樂平人，中級工程師，副主任設(shè)計(jì)師，本科，主要研究方向：機(jī)載應(yīng)答機(jī)電源模塊的設(shè)計(jì)和研究;許濤（1983—），男，漢族，四川綿陽人，中級工程師，副主任設(shè)計(jì)師，本科，主要研究方向：地面一體化詢問機(jī)電源模塊、機(jī)載應(yīng)答機(jī)電源模塊的設(shè)計(jì)和研究;王旭升（1997—），男，漢族，甘肅蘭州人，初級工程師，設(shè)計(jì)師，本科，主要研究方向：機(jī)載防撞設(shè)備電源模塊的設(shè)計(jì)和研究。