《電子技術(shù)應(yīng)用》
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5kW高頻通信電源整流及監(jiān)控系統(tǒng)

2009-03-09
作者:邵江峰 金新民

  摘 要: 介紹一種以80C196KC為核心的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)及整流模塊的實現(xiàn)方案,,討論了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),軟件設(shè)計及功能,,并對系統(tǒng)的可靠性及抗干擾措施進(jìn)行了闡述,。
  關(guān)鍵詞: 80c196KC 監(jiān)控 整流


  智能化高頻開關(guān)電源是一代新型直流電源裝置,,它具有高度靈活組合、自主監(jiān)控的特點,。目前應(yīng)用十分廣泛,,尤其在通信領(lǐng)域,因其具有體積小,、噪音低,、維護(hù)方便又可被納  入通信系統(tǒng)的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等優(yōu)點,從而基本上取代了相控穩(wěn)壓電源,。本文闡述了一種5kW通信電源整流模塊及其二級監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方案,,并給出了部分軟件的流程圖,。
1 系統(tǒng)硬件原理
  圖1示出整個電源系統(tǒng)的原理框圖。系統(tǒng)中各功能模塊都具有自己獨立的監(jiān)控功能,,可完成對所監(jiān)控模塊的管理,。本文將主要討論高頻開關(guān)整流模塊和主監(jiān)控模塊。


1.1 高頻開關(guān)整流模塊
  整流模塊是一種智能化高頻開關(guān)穩(wěn)壓模塊,,其原理框圖見圖2,。它采用無工頻變壓器的整流結(jié)構(gòu),主要由PWM控制器,、逆變器,、信號取樣、單片機(jī)控制器及負(fù)載均流等部分組成,。其中逆變器采用IGBT構(gòu)成的全橋逆變器,。PWM控制器采用移相式PWM控制器UC3875,它在單片機(jī)80C196KC的控制下,,根據(jù)反饋的電壓電流值與設(shè)定值的差,,輸出相移變化的PWM脈沖,經(jīng)驅(qū)動,、放大及整形后,,控制逆變橋中IGBT的關(guān)斷或?qū)ǎ愿淖冚敵鲭妷旱拇笮 ?/P>


  為了實現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)運行的目的,,本系統(tǒng)采用了負(fù)載自動均流電路,,其核心是Unitrode公司的UC3907負(fù)載均流控制器。當(dāng)多機(jī)并聯(lián)運行時,,整流模塊中3907的CSB腳并聯(lián)于均流母線CSB上,,由于3907采用的是最大電流均流法,所以在均流母線上反映的是輸出電流最大的模塊的電流,,當(dāng)本模塊的電流小于CSB電流時,,3907的輸出就會改變3875的反饋電壓值,從而改變PWM控制器移相脈沖的相移,,進(jìn)而改變輸出電壓和電流,,使得該模塊電流與最大電流一致,,實現(xiàn)自動均流的目的,。
  為使整個電源系統(tǒng)具有自診斷和人機(jī)交互的控制功能,每個整流模塊都具有本身的監(jiān)控部分,,以擔(dān)負(fù)本地監(jiān)控以及與主監(jiān)控模塊通信的任務(wù),。整流模塊的單片機(jī)所承擔(dān)的任務(wù)是檢測輸出電壓、電流及溫度,,向PWM控制器發(fā)送輸出電壓值及最大限流值指令,,負(fù)責(zé)開啟冷卻風(fēng)扇,、告警等,并允許各模塊退出或投入系統(tǒng),。
  單片機(jī)還定期將本模塊的電壓,、電流值及故障情況傳送給主監(jiān)控模塊,同時也接收來自主監(jiān)控模塊的命令,。模塊間的通信采用RS-485總線方式,,接口芯片為MAXIM公司的MAX1480B,該芯片是完整的電氣隔離的RS-485轉(zhuǎn)換器,,具有良好的抗干擾能力,,適合應(yīng)用于惡劣的電磁環(huán)境中。
1.2 主監(jiān)控模塊
  系統(tǒng)主監(jiān)控模塊作為一個獨立的模塊,,可監(jiān)控整個電源系統(tǒng)的工作狀態(tài),,控制各模塊的投入和退出,完成人機(jī)對話,,實現(xiàn)與外部PC或遠(yuǎn)端主機(jī)的通信,。
  圖3是該模塊的原理框圖。系統(tǒng)采用Intel公司的80C196KC作主控制器,,用本身的TXD,、RXD經(jīng)RS-485轉(zhuǎn)換后與各模塊通信,又通過外接8250擴(kuò)展出RS-232接口與PC或遠(yuǎn)端主機(jī)通信,。為實現(xiàn)本地的人機(jī)交互操作,,系統(tǒng)采用了大屏幕的LCD界面和24鍵的鍵盤,并可直接外掛EPSON1600K打印機(jī),。為了滿足自動監(jiān)控的需要,,監(jiān)控模塊設(shè)有8路數(shù)字量輸入口,6路繼電器輸出口,,5路A/D輸入,,3路D/A輸出及兩路告警輸出。


  主監(jiān)控系統(tǒng)檢測直流母線電壓,、電流,,當(dāng)電壓或電流大于上限設(shè)定值時,便命令整流模塊降壓限流,,并根據(jù)各整流模塊的工作狀況,,決定每個模塊的退出和投入,從而使整個電源系統(tǒng)工作在穩(wěn)定的狀態(tài)下,。
  此外,,為了整個電源系統(tǒng)的安全,主監(jiān)控系統(tǒng)還對電網(wǎng)電壓的波動進(jìn)行檢測,。當(dāng)網(wǎng)壓異常時,,主監(jiān)控模塊將切除電網(wǎng)輸入,,同時發(fā)出告警信號,并記錄故障信息,。
2 系統(tǒng)軟件
  本系統(tǒng)采用集中管理,、獨立控制的模式,各模塊都有自己獨立的監(jiān)控程序,,當(dāng)個別模塊出現(xiàn)故障時,,不會影響整機(jī)運行。由于篇幅限制,,本文只給出監(jiān)控模塊的軟件結(jié)構(gòu),。
  主監(jiān)控模塊軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,各種功能都由相應(yīng)的中斷子程序完成,。圖4是主程序流程圖,。


  系統(tǒng)的初始化包括MCU內(nèi)部控制寄存器的初始化,寄存器區(qū)及數(shù)據(jù)區(qū)的初始化等,。自檢包括RAM自檢及控制系統(tǒng)各傳感器自檢,,自檢通過后開放中斷及PTS,并調(diào)用顯示初始化子程序,,顯示系統(tǒng)主菜單可用鍵盤選擇各子菜單,,包括運行參數(shù)菜單、狀態(tài)菜單,、故障記錄菜單及參數(shù)設(shè)置菜單,。其中參數(shù)設(shè)置菜單僅供具有權(quán)限的維護(hù)人員使用,須輸入密碼才可進(jìn)行操作,。通信握手通過發(fā)送特征碼55H及接收回彈的AAH來確定通信系統(tǒng)的正常與否,。
  執(zhí)行完初始化及自檢后,系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài),,可接收鍵盤中斷,,同時保持串口接收中斷有效。鍵盤中斷子程序如圖5所示,。串口數(shù)據(jù)的發(fā)送由子程序調(diào)用完成,,接收由中斷實現(xiàn),按數(shù)據(jù)的不同類型進(jìn)行相應(yīng)的處理,。串口接收子程序如圖6所示,。

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  由于本系統(tǒng)檢測的模擬量較多,對于A/D轉(zhuǎn)換,,系統(tǒng)采用了80C196KC所提供的新功能PTS中斷,。它以微代碼方式運行中斷子程序,,此普通中斷速度快,,而且由于PTS提供了一種A/D掃描模式,,使得對多個A/D處理更為方便。表1是用于實現(xiàn)A/D的PTS中斷的命令塊,。

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  首先在主程序中啟動ACH4的A/D轉(zhuǎn)換,,當(dāng)該轉(zhuǎn)換完成時,便引發(fā)一次A/D結(jié)束中斷,,進(jìn)而產(chǎn)生一次PTS中斷,。當(dāng)PTS中斷執(zhí)行時,它首先讀取PTS控制塊的內(nèi)容,,如表2所示,,依次為命令計數(shù)器,命令寄存器,,源/目的寄存器和結(jié)果寄存器,。根據(jù)源/目的寄存器的內(nèi)容,讀取該地址的A/D命令并執(zhí)行,,然后根據(jù)命令寄存器的UPDT位的值,,將源/目的寄存器的地址加二,把上一通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果送入該寄存器,,同時計數(shù)器減一,,這樣完成一個PTS周期。直到計數(shù)器為零,,PTS中斷結(jié)束,。
3 可靠性設(shè)計及抗干擾措施
  ·主電路中主開關(guān)采用帶保護(hù)的IGBT模塊,并外加snubber電路,。
  ·加入冗余整流模塊,,個別模塊出現(xiàn)故障時,不會影響整機(jī)運行,。
  ·所有的保護(hù)及安全電路都設(shè)有全硬件繼電保護(hù),,各模塊入口設(shè)熔斷保護(hù)。
  ·為減少電磁輻射干擾的影響,,對控制板進(jìn)行了屏蔽,。
  ·采用單點接地和隔離電源供電,消除共阻抗回路,。數(shù)字地線,、模擬地線、信號源地線和負(fù)載地線分開設(shè)置,。數(shù)字電路,、模擬電路和負(fù)載電路分別單獨供電,獨自構(gòu)成回路且單點接地。
  ·加強(qiáng)電源退耦,,電源線與地線之間加退耦電容,。
  ·A/D轉(zhuǎn)換采用軟件濾波,以減小干擾的影響,,提高測量和計算的準(zhǔn)確性,。
  ·為防止微機(jī)控制器程序執(zhí)行出錯或進(jìn)入死循環(huán),設(shè)WATCHDOG,,超出定時時間后能自動使系統(tǒng)復(fù)位,。
總之,本系統(tǒng)采用分級控制結(jié)構(gòu),,便于系統(tǒng)的升級和維護(hù),,同時也提高了系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)在實驗室調(diào)試,、運行穩(wěn)定,,下一步將進(jìn)行產(chǎn)品化的研究。
參考文獻(xiàn)
1 8X196KC/KD User's Manual. Intel Corporation,1993
2 何立民著.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計.北京:北京航空航天大學(xué)出版社
3 齊懷印,,盧錦著.高級邏輯器件與設(shè)計.北京:電子工業(yè)出版社

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