集中供電電源的設計與實(shí)現*

*國家重點(diǎn)研發(fā)計劃重大科學(xué)儀器設備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項（NO.2017YFF0106703）資助

作者簡(jiǎn)介：黨政（1993—），男，山東省滕州市，工程師，碩士，電氣工程專(zhuān)業(yè)，研究方向為電力電子。郵箱：danghit92@163.com。

0   引言

隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種家用電器的出現使得人民生活越來(lái)越方便，用電負荷也不斷增加，消防設施的配套已成為小區住戶(hù)的安全保障。消防控制系統作為各種消防設施的控制樞紐，一旦停止運行，將會(huì )給整個(gè)小區的用電安全和人民的財產(chǎn)安全帶來(lái)極大的威脅^[1]。而確保消防控制系統安全可靠持續運轉的關(guān)鍵部件就是集中供電電源。集中供電電源作為消防控制系統獨立的供電電源，其在電網(wǎng)正常供電、異常斷電時(shí)，能夠不間斷地為消防控制系統供電，保證應急照明、消防設備聯(lián)動(dòng)等消防設施能夠安全可靠運行。目前，消防設備逐漸向智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展，對集中供電電源提出了更高的要求，如輸出電壓實(shí)時(shí)顯示、電源工作狀態(tài)監測等^[2]。

因此，針對不間斷供電和智能化控制的要求，本文采用直流輸出UPS的供電策略，有兩路獨立的輸入電源：一路由電網(wǎng)提供交流電源，經(jīng)過(guò)整流濾波和DC/DC 半橋拓撲兩級變換實(shí)現主電輸出，另一路由蓄電池組供電，提供直流備用電源輸入?；赟TM8 系列單片機控制繼電器實(shí)現主備電的切換和備電單投功能，采用智能充電管理技術(shù)提高電池壽命，增加主電、備電工作狀態(tài)顯示及實(shí)時(shí)電壓顯示。

1   整機設計方案

1.1 基本原理

集中供電電源主要由主電電路和備電電路兩部分組成，同時(shí)包含智能化顯示和控制，硬件的整體方案如圖1 所示。主電采用兩段式變換結構：整流濾波電路和DC/DC 半橋變換電路。市電220 V AC，經(jīng)前級整流濾波電路后，通過(guò)后級DC/DC 半橋變換電路實(shí)現直流24 V/20 A 的功率輸出，同時(shí)產(chǎn)生蓄電池組的充電電源，經(jīng)充電控制電路，為備電蓄電池組充電，此為主電供電狀態(tài)。當主電欠壓或斷電時(shí)，主電保護電路動(dòng)作，關(guān)斷主電輸出，備電通過(guò)單片機對主電監測控制繼電器切入，為控制系統提供不間斷供電。一旦市電恢復正常，將自動(dòng)切換到主電供電狀態(tài)。

通過(guò)STM8 系列單片機組成的CPU 系統，對蓄電池進(jìn)行充電控制，完成智能化充電管理功能，同時(shí)通過(guò)對主電、備電的工作狀態(tài)、輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，將信號送到前面板進(jìn)行狀態(tài)顯示，并對各種故障狀態(tài)進(jìn)行報警。自檢功能在一定程度上能夠反映各硬件電路的工作狀態(tài)，該電路能夠對風(fēng)扇、數碼管、指示燈等硬件狀態(tài)進(jìn)行檢測，判斷各硬件是否能夠正常工作。

1.2 主電電路

1.2.1 TL494芯片和IR2101芯片介紹

TL494 是一款可調頻率的脈沖寬度調制控制器，其內部集成誤差放大器、片內可調晶振、死區時(shí)間控制比較器、觸發(fā)器、5 V 穩壓器以及輸出控制電路等，外圍電路少，易于設計。同時(shí)，TL494 的輸出控制可以選擇兩種工作模式：?jiǎn)味撕屯仆?sup>[3]。

IR2101 是一款含有欠壓鎖定的專(zhuān)用半橋驅動(dòng)芯片，具有獨立的高端和低端輸出通道，邏輯輸入兼容標準的CMOS或者LSTTL輸出，實(shí)現10~20 V的柵極驅動(dòng)電壓，浮動(dòng)通道能夠驅動(dòng)高達600 V 的N 溝道功率MOSFET或IGBT^[4]。

1.2.2 主電電路工作原理

在前級整流濾波電路中，主要實(shí)現輸入整流濾波和初級輔助供電等功能。電路輸入部分增加保險絲、熱敏電阻和壓敏電阻構成過(guò)溫和過(guò)壓保護電路，由X 電容、Y 電容、共模電感組成的EMI 濾波器構成了差模濾波和共模濾波電路，以抑制瞬時(shí)電壓尖峰、浪涌電流等電網(wǎng)干擾串入電源內，提高電磁兼容性能。利用RC 串聯(lián)解決開(kāi)關(guān)瞬時(shí)變化帶來(lái)的干擾。整流濾波部分采用不可控整流橋，通過(guò)平衡電阻并聯(lián)濾波電容確保電壓均衡。初級輔助供電采用電容降壓電路，限制最大負載電流，配合線(xiàn)性穩壓電路，簡(jiǎn)化初級輔助供電。

為確保主電輸出大功率，功率變換電路采用半橋拓撲，如圖2 所示。通過(guò)TL494 芯片組成的控制電路實(shí)現對半橋電路的PWM（脈沖寬度調制）控制，利用穩壓管TL432、光耦合器取樣輸出端電壓給TL494 芯片的反饋端，調整輸出側電壓，提高主電輸出準確度。半橋電路驅動(dòng)采用IR2101 芯片，消除功率MOSFET 的共通現象。為了進(jìn)一步提高電源可靠性，本電源還設計了過(guò)流保護、短路保護及過(guò)溫保護。過(guò)流和短路保護電路采用反時(shí)限的方式，當過(guò)流現象持續一段時(shí)間后，過(guò)流保護點(diǎn)逐漸下降，使電流呈現反時(shí)限特性。過(guò)溫保護選用溫度開(kāi)關(guān)取樣散熱器溫升，溫度過(guò)高時(shí)降低輸出電壓，進(jìn)而降低輸出功率，防止內部溫度進(jìn)一步上升，提高功率電路的安全性。備電蓄電池組的充電電壓是通過(guò)變壓器的疊繞方式在輸出電壓之上疊加固定電壓，提高充電電源輸出的交叉調整性能。

1.3 備電電路

1.3.1 智能充電管理電路

智能充電管理系統是由單片機控制的“三段式”蓄電池充電方案，采用間隙周期性的充電方式，將每個(gè)充電周期分為三個(gè)階段，即短時(shí)快速均充充電—恒壓浮充充電—長(cháng)時(shí)間微小電流放電。

電池充電管理電路如圖3 所示，為防止蓄電池發(fā)生極化效應，提高電池壽命，采用脈沖式充電策略。由單片機產(chǎn)生充電信號C_SIG，頻率為1 Hz，脈沖占空比為75%。當C_SIG 為高電平時(shí)，晶體管Q8 截止，VCHG 經(jīng)過(guò)充電電路給電池充電，均充電流有效值為1.4～2.2 A，可確保蓄電池組在24 h 充滿(mǎn)，此為快速均充充電模式。當電池電壓達到浮充電壓點(diǎn)27.1 V 左右時(shí)，利用TL432 的比較器特性，將信號反饋給充電電路，使其停止充電，轉入小電流浮充模式，平衡蓄電池組自然放電的電荷。

1.3.2 繼電器控制電路

繼電器控制電路是實(shí)現主備電無(wú)縫切換功能的電路，對初級交流輸入和輔助電源檢測，識別主電工作狀態(tài)，通過(guò)光耦隔離傳輸至次級側，控制繼電器切換，完成輸出端的不間斷供電。檢測電路采用遲滯方式，可有效提高信號檢測的準確性。

繼電器控制電路如圖4 所示， 電源主電和備電均正常工作時(shí)，光耦隔離OP2 截止，OP3 導通，檢測主電狀態(tài)信號PC4 發(fā)送高電平，繼電器不動(dòng)作，此時(shí)為主電正常工作狀態(tài)；而當主電發(fā)生異常時(shí)，光耦隔離OP2導通，OP3 截止，檢測主電狀態(tài)信號PC4 發(fā)送低電平，繼電器吸合，備電蓄電池組直接供電給輸出，從而實(shí)現了主備電無(wú)縫切換。

1.3.3 其他電路

自檢電路在電源前面板中設置專(zhuān)門(mén)的自檢按鍵，通過(guò)CPU 控制硬件電路，實(shí)現對風(fēng)機、顯示電路和蜂鳴器驅動(dòng)電路的功能檢測。輸出檢測、備電檢測采樣輸出電壓和備電電壓，送給CPU 的模擬信號檢測端口，實(shí)現輸出電壓和工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示和功能控制。風(fēng)扇控制電路通過(guò)采樣變壓器溫度檢測的熱敏電阻的阻值，控制散熱風(fēng)扇工作，實(shí)現功率電路強制風(fēng)冷。蜂鳴器驅動(dòng)電路根據CPU檢測到的電池過(guò)放故障，切斷放電回路時(shí)，并驅動(dòng)蜂鳴器告警，音頻頻率為1 kHz，響應0.5 s，報警時(shí)間設計為2 h。顯示電路使用3 位數碼管顯示輸出電壓，8 個(gè)指示燈實(shí)時(shí)指示主電工作、備電工作、主電故障、備電工作、備電欠壓等多種工作狀態(tài)。單片機通過(guò)移位存儲寄存器提供送顯數據，實(shí)現1 ms/4 ms 均勻顯示。

2   測試結果與分析

根據上述設計方案，進(jìn)行了該電源的輸出電壓測試，圖5(a) 是該電源在主備電無(wú)縫切換時(shí)輸出電壓變化曲線(xiàn)，其中A 部分為主電正常工作時(shí)的輸出電壓，B 部分為蓄電池組供電時(shí)的輸出電壓。圖5(b) 是主電輸出電壓紋波、噪聲變化曲線(xiàn)。

由圖5(a) 可以看出，在主電工作時(shí)，輸出電壓為26.4 V左右；蓄電池組供電時(shí)，輸出電壓在24 V 左右；圖5(b) 中主電工作時(shí)輸出電壓紋波在6 mV 左右，輸出電壓噪聲在94.37 mV 左右，說(shuō)明此電源輸出性能指標均滿(mǎn)足消防控制系統供電電源的要求。另外，本設計成本低廉，且具有智能化的顯示和充電管理系統，極大地滿(mǎn)足了智能化和小型化的要求。

參考文獻：

[1] 謝香志.中山商住樓供配電系統設計與分析[D].廣州:華南理工大學(xué),2017.

[2] 郭晉男.消防電源故障自診斷系統研制[D].長(cháng)春:長(cháng)春工業(yè)大學(xué),2017.

[3] Texas Instruments.TL494 Pulse-Width-Modulation Control Circuits[EB/OL].[2017].

http://www.ti.com.

[4] International Rectifier.IR2101(S)/IR2102(S) &(PbF)HIGH AND LOW SIDE DRIVER[EB/OL].[2014].

https://www.infineon.com.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）