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(jìn)行節(jié)能電源設(shè)計(jì)，提出一種基于分散控制系統(tǒng)的節(jié)能電源設(shè)計(jì)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(dòng)模塊、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊和接口部分；采用現(xiàn)代MOS技術(shù)進(jìn)行過(guò)流過(guò)壓保護(hù)，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(shí)現(xiàn)節(jié)能電源優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)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(qiáng)，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(guò)壓保護(hù)； 分散控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN86?34； TM762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jī)電一體化設(shè)備，包括了電動(dòng)幕布的啟動(dòng)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(zhǎng)，對(duì)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(jì)對(duì)促進(jìn)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行具有基礎(chǔ)性意義，相關(guān)的電源設(shè)計(jì)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(jì)方案，實(shí)現(xiàn)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 電源整體設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析

電教多媒體設(shè)備的節(jié)能電源設(shè)計(jì)中，首先對(duì)輸入的220 V電源進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換控制和功率放大處理，通過(guò)串口RS 232進(jìn)行總線控制，進(jìn)行系統(tǒng)的總體模型設(shè)計(jì)。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(guò)壓保護(hù)控制模塊和上位機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)思想和原理分析，得到本文設(shè)計(jì)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(jì)圖進(jìn)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(gè)電教多媒體設(shè)備的初始電源，為整個(gè)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(jìn)行電源輸入的檢波設(shè)計(jì)，主要作用是實(shí)現(xiàn)防雷擊接地保護(hù)控制。采用雙路電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換芯片，在末級(jí)放大器輸出交流信號(hào)，變換成只有正半軸有值的信號(hào)，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(duì)運(yùn)放電源輸入的I/O動(dòng)態(tài)功耗進(jìn)行反相放大，把檢波器輸出的接地保護(hù)信號(hào)變換成直流信號(hào)，在驅(qū)動(dòng)模塊中進(jìn)行睡眠、停機(jī)和待機(jī)三種模式的選擇控制。

（4） 自動(dòng)增益控制的主要作用是通過(guò)設(shè)計(jì)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(hào)大小，而自動(dòng)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(dòng)增益控制進(jìn)行信號(hào)幅值檢測(cè)濾波，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)增益控制，滿足電教設(shè)備的低電壓?jiǎn)?dòng)需求。另外，在電源設(shè)計(jì)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(hù)能力。根據(jù)上述功能分析，得到本文設(shè)計(jì)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(duì)電教多媒體設(shè)備的節(jié)能電源的總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)行節(jié)能電源的低功耗設(shè)計(jì)。

2 電源硬件設(shè)計(jì)

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(jìn)行電教多媒體設(shè)備的電源硬件設(shè)計(jì)，本文提出一種基于分散控制系統(tǒng)的節(jié)能電源設(shè)計(jì)方案，采用低功耗的STM32F101xx芯片作為微處理器中央控制單元，進(jìn)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(jì)時(shí)，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(hào)幅值較低，頻率處于低頻，采用靜態(tài)功耗抑制方法，進(jìn)行功率因數(shù)修正，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)電源的靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗的匹配，電源的靜態(tài)功耗[Pspc]和動(dòng)態(tài)功耗[Pdpc]計(jì)算公式分別為：

2.2 節(jié)能電源的電路設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)電源電路設(shè)計(jì)主要是對(duì)功率放大模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊和接口部分的電路進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。在電源的功率放大模塊設(shè)計(jì)中，STM32F101xx給予相應(yīng)的晶振，當(dāng)電教多媒體設(shè)備進(jìn)入低電流待機(jī)模式，采用復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)總線與電源及地之間的短路保護(hù)，確保電源輸入節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)功率放大模塊電路設(shè)計(jì)，如圖3所示。

在電源的驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)中，通過(guò)ADUM1201管腳接47 kΩ，運(yùn)放供電12 V和-12 V。輸入電源首先通過(guò)一個(gè)瞬態(tài)二極管進(jìn)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(jìn)行電源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，使得節(jié)能電源免受過(guò)流的沖擊，得到驅(qū)動(dòng)電路模塊設(shè)計(jì)如圖4所示。

過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊用現(xiàn)代MOS技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用直插式開關(guān)電容低通濾波器設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)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(guò)BUFFOUT端輸出開關(guān)電容濾波電壓。在過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)于[D1]的截止?fàn)顟B(tài)。綜上描述，得到過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)如圖5所示。在接口電路中，采用DCS分散控制，實(shí)現(xiàn)了電教多媒體設(shè)備的節(jié)能電源優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

在電路調(diào)試實(shí)驗(yàn)中，起控點(diǎn)是由直流放大器輸出的直流電平來(lái)控制，輸入電壓Vipp的范圍為150～230 V，測(cè)試輸出電壓的峰峰值為[Vopp]，計(jì)算輸出功率增益，得到測(cè)試結(jié)果見表1。

圖6給出了不同方法設(shè)計(jì)的電源進(jìn)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(jì)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(qiáng)，說(shuō)明電源的可靠性較高，實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

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(jì)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(diǎn)對(duì)功率放大模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊和接口部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用DCS分散控制，降低射頻干擾，實(shí)現(xiàn)節(jié)能電源優(yōu)化設(shè)計(jì)。測(cè)試表明，設(shè)計(jì)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(qiáng)，節(jié)能效果較好，使用價(jià)值較高。

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