徐 啟，孫全紅

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011)

運行中的電力設(shè)備發(fā)熱是安全運行的潛在威脅。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，在變電設(shè)備的實際運行中，運行方式的改變、負(fù)荷變化較大、高溫天氣時，相關(guān)電氣設(shè)備大電流的回路連接點、閘刀觸頭比較容易產(chǎn)生發(fā)熱等異常情況。電氣設(shè)備外部熱缺陷的診斷可參照表1[1]。

表1 電氣設(shè)備外部熱缺陷診斷判據(jù)

本設(shè)計方案提出了在無現(xiàn)場供電和不使用電池的情況下，利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在高壓、高溫環(huán)境下為測溫和控制電路提供電能[2]，當(dāng)發(fā)熱溫差大于10 K時即自動啟動測溫電路，否則斷電等待。利用低功耗單片機測溫電路結(jié)合間歇式工作方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，理想地實現(xiàn)了高壓測溫一次設(shè)備和二次監(jiān)測設(shè)備的電隔離，保證了系統(tǒng)的安全可靠。

1 測溫方案及原理

如圖1所示，基于AVR低功耗單片機的測溫裝置由三部分組成：直流發(fā)電電路、穩(wěn)壓電路和低功耗單片機測溫報警電路。直流電產(chǎn)生模塊是利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊產(chǎn)生直流電能。半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的冷、熱面一旦有了溫度差，溫差發(fā)電模塊兩端就產(chǎn)生電壓差。由于溫度差很難固定，半導(dǎo)體溫差模塊產(chǎn)生的壓差不穩(wěn)定，不滿足單片機測溫電路的要求。為此 ，首先須對電壓進(jìn)行升壓、穩(wěn)壓處理，然后用穩(wěn)定的電壓給單片機測溫電路提供電能。如果給一片40 mm×40 mm、126對PN結(jié)的半導(dǎo)體發(fā)電模塊提供15 K的溫差，就能產(chǎn)生約0.6 V(大于0.5 V的超低壓充電泵的開啟電壓)的開路電壓，通過超低壓充電泵啟動DC-DC控制器工作，從而提供3.3 V、200 mA的輸出為后續(xù)測溫電路供電。

2 發(fā)電電路

半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊主要利用其冷面和熱面之間的溫差來產(chǎn)生電，因此如何獲得熱源以及如何降低冷面的溫度至關(guān)重要。盡量提高發(fā)電模塊冷熱面之間的溫差是發(fā)電裝置設(shè)計中的關(guān)鍵[3]。根據(jù)實際測溫要求，選擇電氣設(shè)備發(fā)熱部件（如接線排等）直接作為發(fā)電模塊熱面的加熱源，冷面加裝散熱片和一個風(fēng)扇，驅(qū)動風(fēng)扇的電能也是由半導(dǎo)體溫差模塊產(chǎn)生，其發(fā)電裝置如圖2所示。電氣設(shè)備的接線排在出現(xiàn)發(fā)熱故障時，溫度可上升到313 K～373 K。為了把發(fā)熱體的熱量盡可能高效地傳給半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊，把安裝片的一端面直接與發(fā)熱體接觸，另一面緊貼半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊3的熱面。同時在安裝片4和半導(dǎo)體溫差模塊的熱面(B面)之間涂上很薄的一層硅膠，可以把接觸面的空氣排走，讓模塊表面與安裝片充分接觸。這樣熱量通過安裝片傳導(dǎo)到高溫面，傳熱效率高。半導(dǎo)體溫差模塊的冷面(A面)和散熱片2之間也涂有硅膠，并且在散熱片上加一個額定工作電壓為1.5 V的風(fēng)扇(1)。風(fēng)扇的啟/停由單片機控制，這樣可以將冷面溫度控制在333 K以內(nèi)。

輸出開路電壓隨溫差變化的情況如圖3所示，根據(jù)曲線可以看出 l K的溫差可以產(chǎn)生0.04 V以上的電壓。同時，在溫差發(fā)電模塊兩端接上匹配電阻時，輸出的功率隨溫度的變化情況如圖4所示，可以看出，l K的溫差可以產(chǎn)生0.0045 W的匹配功率。在該系統(tǒng)中，當(dāng)溫差發(fā)電模塊冷、熱面溫差小于40 K時，溫差發(fā)電模塊輸出的電能僅提供給單片機測溫電路。當(dāng)溫差發(fā)電模塊冷、熱面溫差超過40 K時，電風(fēng)扇啟動以降低冷面溫度，溫差發(fā)電模塊輸出電壓為1.6 V左右，此時一部分能量為風(fēng)扇供電，另一部分能量供給單片機測溫電路。

3 穩(wěn)壓電路

半導(dǎo)體溫差發(fā)電存在的突出問題是輸出電壓不穩(wěn)定，當(dāng)溫差較小時輸出電壓也很小。由圖3可知，當(dāng)溫差發(fā)電模塊冷、熱面溫差小于25 K時，開路輸出電壓小于1 V。要保證后續(xù)單片機電路正常工作，供電電壓必須大于2.6 V，通常情況下采用升壓式充電泵或升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器[4]。傳統(tǒng)充電泵的最低輸入電壓在0.9～1.0 V之間，升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器的最低輸入電壓也為1.0 V左右(啟動電壓為 0.6～0.7 V)。如果輸入電壓降到 0.6 V以下，則傳統(tǒng)的充電泵或DC/DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的電路(如振蕩器、誤差放大器、邏輯控制電路、電子開關(guān)等)不能正常工作，用傳統(tǒng)的升壓器件無法解決用0.6 V以下的輸入電壓達(dá)到升壓的目的。

這里采用TI公司的一款超低輸入電壓同步DC/DC轉(zhuǎn)換器 TPS61201[5]。該 IC的主要特點：效率高（在 VIN≥1.8 V、輸出電壓 3.3 V、輸出電流 300 mA時，其效率大于85%)；根據(jù)輸入電壓的大小能自動轉(zhuǎn)換成升壓模式或降壓模式；靜態(tài)電流小(小于 50 μA)；輸入電壓在 0.5 V時，在滿負(fù)載時也能啟動工作；輸入工作電壓范圍寬，從0.3 V～5.5 V；輸入低電壓鎖存的電壓可設(shè)定；有輸出短路保護(hù)；有輸出電壓可設(shè)定及固定輸出的品種供用戶選擇；在輸出功率較低時有節(jié)能模式，可提高效率；有可能強制按固定效率工作；在關(guān)閉電源時，負(fù)載與輸入端斷開；有過熱保護(hù)；工作溫度范圍-40℃～+120℃(空氣自然散熱時推薦-40℃～+85℃)；小尺寸 3 mm×3 mm QFN封裝。該轉(zhuǎn)換器特別適合于太陽能電池、燃料電池、溫差或振動發(fā)電的供電條件的應(yīng)用。應(yīng)用電路如圖5所示。

圖5是一種輸出電壓固定為3.3 V的電路。EN端、PS端接VIN，這表示電源采用輸入電壓的低壓鎖存電壓閾值來關(guān)閉電源；PS端高電平表示在重負(fù)載條件下工作（此時振蕩器按固定頻率工作）；輸入電壓的低壓鎖存電壓閾值VINmin與外接電阻分壓器R1、R2有關(guān)，如下式：

VINmin/(R1+R2)=VUVLO/R2(1)

式中，VUVLO=250 mV。建議 R2取 250 kΩ，則設(shè)定 VINmin=0.4 V(對應(yīng)溫升為 10 K)值后可求出 R1=150 kΩ值。在VIN低于 0.4 V時，輸出被關(guān)閉(VOUT=0)，并鎖存，只有當(dāng)VIN＞0.4 V時電源才恢復(fù)工作。

在圖5中，VAUX接0.1 μF后接地，是為了穩(wěn)定工作（建議C3用等效串聯(lián)電阻小的多層陶瓷電容器，容量為0.1 μF）。此電容器在啟動時向 C3充電到一定值后，開關(guān)管才導(dǎo)通，對開關(guān)管起緩沖作用。

C1是輸入電容，其值最小是 4.7 μF，這里用 10 μF 多層陶瓷電容器。C2是輸出電容，建議采用下式選擇C2值：

C2=5L1(μF/μH) (2)

若 L1=2.2 μH， 則 C2可取 10 μF。 C2也采用多層陶瓷電容。采用更大容量的C2可減小輸出紋波電壓、減小瞬態(tài)負(fù)載變化引起的輸出電壓跌落。

圖5中電感器L1值可用下式估算：

L1min=VIN×0.5(μs/A) (3)

通常L1在1.5～4.7 μH之間取值，在整個輸入電壓與輸出電壓范圍內(nèi)有較好的性能。

4 測溫報警電路

本設(shè)計采用AVR低功耗單片機和一線制數(shù)字溫度傳感器結(jié)合紅外LED發(fā)射管組成測溫報警電路?？刂破鬟x用了ATmega8L型單片機；溫度測量采用DS18B20型溫度傳感器；報警發(fā)光二級管采用GP1303CA紅外線LED。電路構(gòu)成如圖6所示。

ATmega8L型單片機[6]，特性工作電壓 2.7 V～5.5 V，4 MHz空閑模式功耗 1 mA（3 V，25℃），內(nèi)部集成上電復(fù)位電路(Power-On-Reset)和掉電檢測電路(Brown-outdetection)，并具有 5種休眠模式，特別適合低功耗工作環(huán)境。

DS18B20型溫度傳感器[7]，特性工作電壓3.0 V～5.5 V，測溫范圍-55℃～+125℃，分辯率：9～12位可調(diào)，最小溫度分辨率0.062 5℃，測量精度在-10℃～+85℃范圍內(nèi)±0.5℃，輸出接口為數(shù)字信號、1-Wire總線，不銹鋼管密封，防水、防腐蝕。

散熱風(fēng)扇采用定制的專用排風(fēng)扇。選用防水電機SRE-300-14270，電機工作電壓 0.5 V～4 V(額定電壓 1.9 V)，空載電流32 mA，最大輸出功率0.42 W。當(dāng)設(shè)備發(fā)熱部件溫升達(dá)到330 K時，CPU通過端口PB0（高電平有效）接通開關(guān)管Q，由半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊直接給排風(fēng)扇供電對半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的冷端進(jìn)行風(fēng)冷降溫，以確保冷、熱端間能獲得盡量大的溫度差。實際調(diào)試表明，此時發(fā)電模塊的輸出電壓約1.8 V，輸出電流可達(dá)100 mA，負(fù)載的總耗電流約80 mA，滿足系統(tǒng)的正常工作要求。隨著溫度的升高，溫差模塊的輸出功率會逐漸增大，排風(fēng)扇的降溫效果也逐漸增強，測試表明在排風(fēng)扇工作的情況下，溫差模塊冷端的溫度被強制在340 K左右。

GP1303CA紅外線LED為GaAs材料[8]，中心波長940 nm，符合具有夜視能力的普通監(jiān)控CCD攝像機的敏感光譜范圍；輻射強度10 mW/sr，功率150 mW(If=20 mA)，攝像機在150 m的距離可清晰攝取該紅外圖像。CPU根據(jù)發(fā)熱溫度是否超限以及發(fā)熱溫度與環(huán)境溫度的溫差值的不同以不同頻率驅(qū)動紅外LED閃爍報警，報警紅外光信號由現(xiàn)場監(jiān)控攝像機接收并處理。LED閃爍頻率與溫度差的對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 溫度與閃爍頻率對應(yīng)關(guān)系

5 終端工作原理

當(dāng)被監(jiān)測的設(shè)備部件有發(fā)熱且高于環(huán)境溫度12 K以上時，半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊輸出0.5 V左右的電壓，升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS61201啟動，對測溫電路提供穩(wěn)定的3.3 V供電。此時，單片機ATmega8L由斷電等待狀態(tài)轉(zhuǎn)入通電工作狀態(tài)，終端控制程序被啟動。正式使用時，終端首先完成其內(nèi)部系統(tǒng)的初始化，即通信協(xié)議的初始化；各端口使能與初始化，確認(rèn)溫度傳感器連接完好；向DS18B20中TH/TL位寫入最高/最低溫度門限，讀取該溫度傳感器的身份標(biāo)志碼(該標(biāo)志碼亦代表該終端設(shè)備的身份)。啟動后，終端由ATmega8L單片機控制，定期向溫度傳感器DS18B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令，DS18B20在完成溫度轉(zhuǎn)換后會自動將溫度值和TH/TL寄存器中的觸發(fā)門限相比較。如比較結(jié)果表明測量溫度高于TH或低于TL中的門限值，則設(shè)置報警標(biāo)志位。隨后，CPU在讀取溫度值的同時也讀取報警標(biāo)志位，CPU根據(jù)溫度是否超限以及溫度值的不同以不同頻率驅(qū)動紅外LED閃爍報警，報警紅外光信號由現(xiàn)場監(jiān)控攝像機接收并處理。這樣，終端就完成了溫度的檢測與報警功能。測溫工作流程圖如圖7。

當(dāng)升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器提供的電壓低于ATmega8L最低工作電壓（ATmega8L＜2.7 V，DS18B20＜1.6 V）時，ATmega8片內(nèi)BOD(Brown-out Detection)測試工作過程中VCC的變化。此觸發(fā)電平通過VBODLEVEL設(shè)定為2.7 V(BODLEVEL未編程)或4.0 V(BODLEVEL已編程)。工作過程中發(fā)生掉電檢測復(fù)位時將對其自身復(fù)位并處于掉電等待狀態(tài)，等待下一次的上電啟動，BOD的觸發(fā)電平具有遲滯功能以消除電源尖峰的影響。當(dāng)升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS61201的輸入電壓低于0.3 V時，輸出被關(guān)閉(VOUT=0)并鎖存，只有當(dāng) VIN＞0.4 V時電源才恢復(fù)工作。此時，單片機ATmega8L重新由斷電等待狀態(tài)轉(zhuǎn)入通電工作狀態(tài)。

本文設(shè)計的溫度檢測終端，其外圍設(shè)備簡單，由現(xiàn)場發(fā)熱源提供電能，功耗低，傳輸無線化?？梢杂迷谛枰獙Πl(fā)熱缺陷進(jìn)行實時檢測而現(xiàn)場不能提供電源、或采用電池供電連續(xù)工作時間短且更換不便等場合。

[1]中華人民共和國國家技術(shù)監(jiān)督局.交流高壓電器在長期工作時的發(fā)熱(GB763-90)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1990.

[2]ROUNDY S，WRIGHT P K，RABAEY J M.Energy scavenging for wireless sensor networks：with special focus on vibrations.Kluwer Academic Publishers Norwell，MA，USA.2004.

[3]AUCKLAND D W，SHUTTLEWORTH R，LUFF A C.Design of a semiconductor thermoelectric generator for remotesubsea wellheads.Electric Power Applications，IEE Proceedings，1995，142(3)：65-70.

[4]Seiko Instruments Inc.Ultra-low voltage operation charge pump IC for step-up DC-DC converter startup S-882Z series.Rev.1.2_00.2007.

[5]Texas Instruments Incorporated.Low input voltage synchronous boost converter with 1.3 A switches.(Rev.B).2008.

[6]Atmel Corporation.8 bit AVR?with 8 K bytes in-system programmable flash ATmega8 ATmega8L.http：//www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2486.pdf，2008.

[7]Maxim Integrated Products，Inc.DS18B20 programmable resolution 1-wire digital thermometer.http：//www.maxim-ic.com.cn/pdfserv/en/ds/DS18B20.pdf，2008.

[8]Xiamen G&P Electronics Co,Led.Specification for GoPro ir LED part No.GP1303CA(Rev.1.0).http：//akamai.globalsources.com.edgesuite.net/f/593/3445/5d/pdt.static.globalsources.com/IMAGES/PDT/SPEC/420/K1000839420.pdf，2008.