駱訓(xùn)衛(wèi),宋金華,林蘭修,吳 林

(同方電子科技有限公司，江西 九江 332002)

0 引言

供電電源是所有電子設(shè)備不可或缺的一部分，供電電源性能的好壞直接關(guān)系到設(shè)備的使用性能。針對一款大功率電子設(shè)備的供電，設(shè)計(jì)了一款3 kW以內(nèi)體積小、效率高的兩種供電輸入方式的供電單元，該供電單元為多路直流輸出，可以同時(shí)給設(shè)備功放以及其他單元供電。輸入供電方式既可以是單相220 V，也可以是三相四線380 V，功率因數(shù)可以達(dá)到0.99以上。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

如圖1所示，供電單元包括以下幾個(gè)功能電路部分：輸入濾波電路；PFC電路；DC/DC電路；微機(jī)控制電路；具有主電源電壓調(diào)壓功能、溫度檢測功能、電壓電流檢測功能、對電源模塊的啟動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測和控制、與上位機(jī)通信功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理框圖

交流輸入經(jīng)三路PFC電路變換成三路直流輸出高壓，直流高壓分別送給后端的24 V、36 V高壓電源轉(zhuǎn)換模塊供電得到相應(yīng)的電源電壓，其中36 V給功放末級供電，24 VA、24 VB、24 VC給設(shè)備其他單元供電。

微機(jī)控制電路，內(nèi)置單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)：遙控開關(guān)機(jī)功能；監(jiān)測各路輸出的電壓、電流；監(jiān)測整機(jī)機(jī)內(nèi)溫度；對各電源模塊啟動(dòng)進(jìn)行控制；對36 V輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)；通過串口與上位機(jī)微機(jī)單元通信，執(zhí)行上位機(jī)下達(dá)的命令；上傳溫度、電壓、電流等信息。

2 多種供電輸入方式

供電單元分兩種供電輸入方式：可以是單相220 V也可以是三相四線制380 V。當(dāng)單相220 V輸入時(shí)：三路濾波器均接入同一路220 V電源；當(dāng)三相四線380 V輸入時(shí)，每路濾波器分別接入A、B、C相的220 V電源，36 V主電源由三路獨(dú)立的1 kW電源模塊均流并聯(lián)組合而成，保證了三相電流的平衡性。這兩種供電輸入方式既能使用普通標(biāo)準(zhǔn)的16 A電源插頭，滿足一般環(huán)境下的市電供電要求，也能滿足特殊供電要求下三相四線380 V的供電要求。本供電單元設(shè)計(jì)的交流輸入電壓范圍比較寬，在176～264 V的輸入條件下，供電單元能穩(wěn)定正常的工作。涵蓋了國內(nèi)交流輸入范圍和輸入方式的供電要求。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主要參數(shù)指標(biāo)

1)交流輸入：單相220 V或三相四線380 V;

2)直流輸出：直流輸出36 V/60 A,三路獨(dú)立的24 V/6 A;

3)保護(hù)功能:電路具有輸入過欠壓保護(hù)、輸出過流保護(hù)、輸出短路保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、過溫保護(hù);

4)指示:用雙色發(fā)光二極管指示整個(gè)供電電路啟動(dòng)和關(guān)閉狀態(tài)，橙色表示有交流輸入待機(jī)狀態(tài)，開機(jī)過程中紅綠交替閃爍，當(dāng)各個(gè)工作電路啟動(dòng)后，為綠色；

5)數(shù)據(jù)通信傳輸:通過422串口與上位機(jī)通信，上傳各路直流輸出電壓電流信息，控制各個(gè)模塊的啟動(dòng)和關(guān)閉，八級階梯式調(diào)壓網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)直流36 V的輸出電壓大小。

3.2 輸入濾波電路

電源輸入端設(shè)計(jì)有電源濾波器，分三路獨(dú)立的輸入濾波電路，開關(guān)電源本身就是很強(qiáng)的干擾源，濾波器可以有效的抑制設(shè)備內(nèi)部干擾通過電源線反竄至設(shè)備外部，同時(shí)濾波器可以有效的抑制設(shè)備外部干擾信號通過電源線耦合作用到設(shè)備內(nèi)部。該電源濾波器采用法蘭盤安裝方式，安裝的位置盡量靠近電源輸入端，濾波器的外殼為地，接地方式是通過設(shè)備底板或面板連接，一定要注意底板或面板安裝位置的油漆涂覆防護(hù)，確保濾波器的接地可靠性，保證設(shè)備的電磁兼容性試驗(yàn)要求。

3.3 PFC電路

PFC電路選擇功率因數(shù)校正模塊，該模塊的輸入電壓范圍為：交流85～264 V，效率高達(dá)96%以上，功率因數(shù)大于0.99，輸出電壓為390 VDC，模塊具有使能控制和負(fù)載使能控制，輸出功率為1 600 W，為標(biāo)準(zhǔn)全磚封裝，高度為12.7 mm[1]。

功率因數(shù)校正模塊具有輸入過欠壓保護(hù)、輸出過流及短路保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、過溫保護(hù)。設(shè)計(jì)有三路獨(dú)立的相同PFC電路為后端電路提供390 V高壓直流輸入。

3.4 DC/DC電路

3.4.1 36 V DC/DC電路

3.4.1.1 主電路

36 V DC/DC電路選用寬范圍、高可靠、高效率的單路輸出隔離DC/DC模塊，該模塊輸入電壓范圍為300～450 VDC，輸出功率1 000 W，為標(biāo)準(zhǔn)全磚封裝，高度為12.7 mm。模塊提供使能控制，鋁基板工作溫度可高達(dá)100 ℃。

該模塊具有輸入過欠壓保護(hù)、輸出過流及短路保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、過溫保護(hù)、多模塊并聯(lián)均流功能[2]、輸出電壓調(diào)節(jié)功能和輸出故障檢測功能。

36 V DC/DC電路圖見圖2，本模塊選用負(fù)邏輯使能控制，采用三塊同款模塊進(jìn)行并聯(lián)均流輸出，一方面能保證提供功放電路足夠的功率[3]；另一方面保證功放電路的直流供電電壓輸入的一致性[4]；還一方面是保證模塊輸出功率的均衡性[5]。

圖2 36 V DC/DC電路

3.4.1.2 調(diào)壓電路

為了滿足后端主電路供電電壓實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)需求，通過微機(jī)單元的三根I/O控制信號控制電源模塊的調(diào)壓電阻網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)36 V電源自34 V至41 V之間的8檔電壓的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，其調(diào)壓原理如圖3所示。

圖3 調(diào)壓原理圖

調(diào)壓電路通過改變模塊的TRIM腳對輸出正極的電阻網(wǎng)絡(luò)阻值大小可以往上調(diào)節(jié)其輸出電壓；調(diào)節(jié)其TRIM對輸出負(fù)極的電阻阻值大小可以往下調(diào)節(jié)其輸出電壓。本調(diào)壓電路經(jīng)過精心調(diào)配電阻和來自微機(jī)單元的三根I/O控制口，其分別控制上調(diào)、下調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值，實(shí)現(xiàn)調(diào)整階梯式八級電壓，可以實(shí)現(xiàn)從34～41 VDC的均勻性和間隔性電壓調(diào)整，可以完美的匹配整機(jī)主電路供電的要求。

3.4.2 24 V DC/DC電路

3.4.2.1 24 VA DC/DC電路

24 VA DC/DC電路選用模塊的輸入范圍：200～415 VDC，輸出功率150 W，標(biāo)準(zhǔn)的四分之一磚封裝，高度12.7 mm，采用鋁基板及封閉式結(jié)構(gòu)；具有高可靠性、高效率、高功率密度、低紋波噪聲等特點(diǎn)，具有輸入欠壓保護(hù)、輸出過流及短路保護(hù)、輸出過壓保護(hù)和過溫保護(hù)。

24 VA DC/DC電路是一個(gè)常工作電路，當(dāng)濾波電路接入交流后，使用橋堆整流后的直流300 V電壓通過單向?qū)ǘO管給模塊B3供電，輸出直流電壓24 V，此輸出電壓給微機(jī)電源模塊供電，輸出端使用發(fā)光二極管指示當(dāng)前電路的工作狀態(tài)，當(dāng)微機(jī)接收到上位機(jī)開機(jī)命令后，微機(jī)發(fā)出PFC1電路繼電器接通的命令，輸出直流24 V給PFC1電路中繼電器線包1K1供電，繼電器吸合，交流通過濾波電路給B1模塊供電，PFC1電路啟動(dòng)。當(dāng)高壓390 V穩(wěn)定輸出后，通過單向?qū)ǘO管給模塊B3供電，此時(shí)橋堆整流后的電壓低于PFC1電路輸出電壓值，24 VA模塊轉(zhuǎn)為PFC1電路供電，直流輸出24 VA給后端電路供電。

3.4.2.2 24 VB、24 VC DC/DC電路

24 VB、24 VC DC/DC電路選用的模塊與24 VA電路中模塊相同，分別由PFC2、PFC3電路供電，在微機(jī)命令控制PFC2、PFC3輸入電路中繼電器2K1、3K1吸合后，PFC2和PFC3電路啟動(dòng)，給模塊B6(24 VB模塊)、B9(24 VC模塊)供電，輸出直流24 VB、24 VC給后端供電。

3.5 微機(jī)電路

微機(jī)電路見圖4，控制部分的核心由4N1(C8051F330)單片機(jī)組成[6]。該單片機(jī)集成有Flash、內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM、10 位AD、10為DAC,17個(gè)端口I/O引腳等，是一款高效的8 位微處理器，極大地簡化了硬件電路設(shè)計(jì)。該單片機(jī)可以控制模塊使能電路達(dá)到供電電路的啟動(dòng)功能；控制36 V DC/DC輸出電壓來匹配末級功放輸入電壓；檢測整機(jī)的溫度，控制各電源模塊的啟動(dòng)，對直流輸出的電壓、電流進(jìn)行采樣[7]。交流輸入接通濾波器電路后，24 VA常開電路工作，輸出24 VA，再經(jīng)過微機(jī)電源模塊轉(zhuǎn)換成直流3.3 V。

圖4 微機(jī)電路

3.6 開機(jī)指示電路

開機(jī)指示電路見圖5，“開機(jī)指示”電平為低電平時(shí)，三極管4V3處于截止?fàn)顟B(tài)，3.3 V電壓經(jīng)過限流電阻4R5、綠色發(fā)光管和4R6，作用在三極管4V2的基極，此時(shí)，4V2基極有微弱電流流過，4V2發(fā)射機(jī)和集電極處于導(dǎo)通狀態(tài)，紅色發(fā)光管點(diǎn)亮；

圖5 開機(jī)指示電路

“開機(jī)指示”電平為高電平時(shí)，三極管4V3處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，綠色發(fā)光二極管的截止端基本為零電位，4V2處于截止?fàn)顟B(tài)，電壓經(jīng)過限流電阻4R5、綠色發(fā)光二極管和4V3形成回路，綠色發(fā)光管點(diǎn)亮。

3.7 采樣電路

電壓采樣電路通過精密電阻分壓原理采樣直流輸出36 V、24 VA、24 VB和24 VC的電壓；通過霍爾電流傳感器采樣36 V的輸出電流；通過溫度傳感器緊貼整機(jī)散熱集中的地方，采樣整機(jī)最真實(shí)的溫度數(shù)據(jù)；將溫度采樣數(shù)據(jù)送入單片機(jī)P1.0數(shù)據(jù)口，電壓和電流采樣數(shù)據(jù)通過多路模擬開關(guān)送入單片機(jī)P1.1數(shù)據(jù)口。

圖6 多路模擬開關(guān)電路

3.8 輸入過欠壓電路

輸入過欠壓電路如圖7所示，每路濾波器輸出電路后都接入橋堆，橋堆整流后的電壓送入光耦初級，三路光耦次級輸出采用串聯(lián)連接方式，過欠壓數(shù)據(jù)GQY通過采樣電路送入多路模擬開關(guān)，再送入單片機(jī)P1.1數(shù)據(jù)口。

圖7 輸入過欠壓電阻網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)某一路交流輸入或某一相交流輸入缺失時(shí)，GY和QY2懸空，可以檢測交流輸入是否正常；當(dāng)滿足三路交流輸入時(shí)，GQY電平隨交流輸入電壓增大而變小。通過設(shè)定GQY電壓大小來設(shè)置輸入過欠壓的交流電壓數(shù)值。

4 軟件設(shè)計(jì)

采用模塊化軟件設(shè)計(jì)，在主程序中套用各功能子程序，這樣設(shè)計(jì)軟件邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、條理清晰。包括有電壓采樣子程序、電流采樣子程序、溫度采樣子程序、串口通信子程序、調(diào)壓子程序。軟件流程圖見圖8。

圖8 軟件流程圖

4.1 電壓電流采樣

單片機(jī)內(nèi)置10位AD，通過控制多路模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對六路模擬信號進(jìn)行采樣。

4.2 溫度采樣

單片機(jī)采樣溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，輸入到單片機(jī)的P1.0數(shù)據(jù)口。

4.3 狀態(tài)監(jiān)測

單片機(jī)內(nèi)置10位AD，實(shí)現(xiàn)對36 V 、24 VA、24 VB、24 VC等輸出電源的電壓、電流進(jìn)行采樣監(jiān)測；對整機(jī)工作溫度進(jìn)行監(jiān)測。

4.4 調(diào)壓程序

單片機(jī)通過控制P0.1、P0.2和P0.3三個(gè)I/O口的電平來控制調(diào)壓電阻網(wǎng)絡(luò)的接通和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)八種不同電阻網(wǎng)絡(luò)阻值的切換，對應(yīng)八種設(shè)定電壓值。

4.5 串口通信

微機(jī)控制通過串口與上位機(jī)通信；數(shù)據(jù)傳輸速率為9 600 b/s。電源接收來自上位機(jī)的開/關(guān)機(jī)命令，并執(zhí)行電源的開/關(guān)機(jī)命令；接收來自上位機(jī)的狀態(tài)查詢命令，并返回電源的電壓、電流、溫度等信息；接收來自上位機(jī)的調(diào)壓命令，并執(zhí)行調(diào)壓程序，把36 V的功率電源電壓快速的調(diào)整到指定的電壓值。

5 熱設(shè)計(jì)

供電單元內(nèi)部熱設(shè)計(jì)最大限度的利用導(dǎo)熱、對流和輻射散熱。供電單元采用獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)，內(nèi)部元器件排列有序，有利于流體的對流換熱，關(guān)鍵元件置于進(jìn)口氣流溫度低處，比如：單片機(jī)、電流傳感器、采樣電路、串口芯片和多路模擬開關(guān)等器件[8]。電源模塊置于風(fēng)道中，采用電源模塊加裝散熱器和強(qiáng)制風(fēng)機(jī)抽風(fēng)對流來散熱[9]；一方面，側(cè)板與上下蓋板采用密封結(jié)構(gòu)處理，前后面板最大限度的保證進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的風(fēng)道尺寸，各個(gè)模塊的散熱齒、風(fēng)道與風(fēng)機(jī)風(fēng)向都保持相同的方向，盡量減小風(fēng)道的阻力損失；另一方面，合理選用風(fēng)機(jī)型號，風(fēng)機(jī)的高度盡量在不影響安裝上下蓋板與器件沖突的前提條件下選擇風(fēng)機(jī)風(fēng)量比較大的型號。風(fēng)機(jī)的數(shù)量在不影響器件的前提條件下盡量布滿整個(gè)面板的寬度，供電單元選用了6個(gè)40×20L的風(fēng)機(jī)，每個(gè)風(fēng)機(jī)風(fēng)量參數(shù)為0.27 m3/min。

使用icepak15.0軟件仿真分析。參數(shù)設(shè)置如下：環(huán)境溫度：55℃，熱耗散功率：PFC總熱耗散功率90 W，36 V主電源模塊總熱耗散功率120 W，24 V模塊總熱耗散功率30 W，供電單元總熱耗散功率240 W。仿真結(jié)果見圖9 溫度云圖和圖10風(fēng)速云圖。仿真結(jié)果表明整機(jī)在55℃高溫條件下工作，最高溫度為80.83℃，遠(yuǎn)低于模塊鋁基板最高溫度，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 溫度云圖

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想制作出的供電單元。接入單相220 V或三相四線380 V電源后，啟動(dòng)開機(jī)開關(guān)，開機(jī)指示紅燈點(diǎn)亮，供電單元進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)微機(jī)控制電路接收到開機(jī)命令，開機(jī)指示燈紅燈閃爍幾秒后綠燈點(diǎn)亮，直流各輸出電壓36 V、24 VA、24 VB、24 VC均輸出正常，按表1直流輸出加載相應(yīng)電流后能穩(wěn)定的工作，各模塊的狀態(tài)指示燈均指示正常，功率因數(shù)達(dá)到了0.99。使用調(diào)壓命令可以把36 V輸出電壓調(diào)整到八檔電壓中任意設(shè)定的電壓值。當(dāng)電流、溫度、輸入過欠壓超過了設(shè)定值后，各模塊輸入輸出關(guān)閉，相應(yīng)狀態(tài)指示燈熄滅[10]，溫度、電壓、電流等監(jiān)測信息實(shí)時(shí)上傳給上位機(jī)。供電單元36 V主電源設(shè)定為40 V電壓輸出，其余輸出指標(biāo)按表1直流輸出參數(shù)連續(xù)負(fù)荷4 h，溫度從初始的26 ℃攀升到52 ℃，保持52 ℃溫度平衡，溫升26 ℃，主電源效率高達(dá)90.13%。在55 ℃高溫環(huán)境條件下，整機(jī)連續(xù)工作4 h，供電單元整機(jī)溫度最大不超過80 ℃。

供電單元可滿足單相220 V和三相四線380 V輸入，輸出電壓電流參數(shù)、狀態(tài)指示和串口通信功能滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

7 結(jié)束語

本文對多種供電輸入的供電單元的工作原理和各部分電路進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,結(jié)合硬件電路和軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)介紹該設(shè)備如何實(shí)現(xiàn)：電源輸入可實(shí)現(xiàn)單相220 VAC或三相四線制的380 V多種輸入方式。通過濾波電路，PFC電路，DC/DC電路來轉(zhuǎn)換和實(shí)現(xiàn)各路直流電壓的輸出；通過微機(jī)控制電路、主電源調(diào)壓電路、溫度檢測電路、電壓電流檢測電路來對整機(jī)進(jìn)行監(jiān)測和控制；通過串口與上位機(jī)微機(jī)單元通信，執(zhí)行上位機(jī)下達(dá)的命令，上傳溫度、電壓、電流等信息。