5kW高频通信电源整流及监控系统

2006-05-07 15:49:45来源: 电子技术应用

     摘 要: 介绍一种以80C196KC为核心的通信电源监控系统及整流模块的实现方案,讨论了系统的硬件结构,软件设计及功能,并对系统的可靠性及抗干扰措施进行了阐述。

    关键词: 80C196KC 监控 整流

    智能化高频开关电源是一代新型直流电源装置,它具有高度灵活组合、自主监控的特点。目前应用十分广泛,尤其在通信领域,因其具有体积小、噪音低、维护方便又可被纳入通信系统的计算机监控系统等优点,从而基本上取代了相控稳压电源。本文阐述了一种5kW通信电源整流模块及其二级监控系统的实现方案,并给出了部分软件的流程图。

    1 系统硬件原理

    图1示出整个电源系统的原理框图。系统中各功能模块都具有自己独立的监控功能,可完成对所监控模块的管理。本文将主要讨论高频开关整流模块和主监控模块。

    1.1 高频开关整流模块

    整流模块是一种智能化高频开关稳压模块,其原理框图见图2。它采用无工频变压器的整流结构,主要由PWM控制器、逆变器、信号取样、单片机控制器及负载均流等部分组成。其中逆变器采用IGBT构成的全桥逆变器。PWM控制器采用移相式PWM控制器UC3875,它在单片机80C196KC的控制下,根t2.gif (13945 字节)据反馈的电压电流值与设定值的差,输出相移变化的PWM脉冲,经驱动、放大及整形后,控制逆变桥中IGBT的关断或导通,以改变输出电压的大小。

    为了实现多机并联运行的目的,本系统采用了负载自动均流电路,其核心是Unitrode公司的UC3907负载均流控制器。当多机并联运行时,整流模块中3907的CSB脚并联于均流母线CSB上,由于3907采用的是最大电流均流法,所以在均流母线上反映的是输出电流最大的模块的电流,当本模块的电流小于CSB电流时,3907的输出就会改变3875的反馈电压值,从而改变PWM控制器移相脉冲的相移,进而改变输出电压和电流,使得该模块电流与最大电流一致,实现自动均流的目的。

    为使整个电源系统具有自诊断和人机交互的控制功能,每个整流模块都具有本身的监控部分,以担负本地监控以及与主监控模块通信的任务。整流模块的单片机所承担的任务是检测输出电压、电流及温度,向PWM控制器发送输出电压值及最大限流值指令,负责开启冷却风扇、告警等,并允许各模块退出或投入系统。

    单片机还定期将本模块的电压、电流值及故障情况传送给主监控模块,同时也接收来自主监控模块的命令。模块间的通信采用RS-485总线方式,接口芯片为MAXIM公司的MAX1480B,该芯片是完整的电气隔离的RS-485转换器,具有良好的抗干扰能力,适合应用于恶劣的电磁环境中。

    1.2 主监控模块

    系统主监控模块作为一个独立的模块,可监控整个电源系统的工作状态,控制各模块的投入和退出,完成人机对话,实现与外部PC或远端主机的通信。

    图3是该模块的原理框图。系统采用Intel公司的80C196KC作主控制器,用本身的TXD、RXD经RS-485转换后与各模块通信,又通过外接8250扩展出RS-232接口与PC或远端主机通信。为实现本地的人机交互操作,系统采用了大屏幕的LCD界面和24键的键盘,并可直接外挂EPSON1600K打印机。为了满足自动监控的需要,监控模块设有8路数字量输入口,6路继电器输出口,5路A/D输入,3路D/A输出及两路告警输出。

    主监控系统检测直流母线电压、电流,当电压或电流大于上限设定值时,便命令整流模块降压限流,并根据各整流模块的工作状况,决定每个模块的退出和投入,从而使整个电源系统工作在稳定的状态下。

    此外,为了整个电源系统的安全,主监控系统还对电网电压的波动进行检测。当网压异常时,主监控模块将切除电网输入,同时发出告警信号,并记录故障信息。

    2 系统软件

    本系统采用集中管理、独立控制的模式,各模块都有自己独立的监控程序,当个别模块出现故障时,不会影响整机运行。由于篇幅限制,本文只给出监控模块的软件结构。

    主监控模块软件采用模块化结构设计,各种功能都由相应的中断子程序完成。图4是主程序流程图。

    系统的初始化包括MCU内部控制寄存器的初始化,寄存器区及数据区的初始化等。自检包括RAM自检及控制系统各传感器自检,自检通过后开放中断及PTS,并调用显示初始化子程序,显示系统主菜单可用键盘选择各子菜单,包括运行参数菜单、状态菜单、故障记录菜单及参数设置菜单。其中参数设置菜单仅供具有权限的维护人员使用,须输入密码才可进行操作。通信握手通过发送特征码55H及接收回弹的AAH来确定通信系统的正常与否。

    执行完初始化及自检后,系统进入监控状态,可接收键盘中断,同时保持串口接收中断有效。键盘中断子程序如图5所示。串口数据的发送由子程序调用完成,接收由中断实现,按数据的不同类型进行相应的处理。串口接收子程序如图6所示。

    由于本系统检测的模拟量较多,对于A/D转换,系统采用了80C196KC所提供的新功能PTS中断。它以微代码方式运行中断子程序,此普通中断速度快,而且由于PTS提供了一种A/D扫描模式,使得对多个A/D处理更为方便。表1是用于实现A/D的PTS中断的命令块。

    首先在主程序中启动ACH4的A/D转换,当该转换完成时,便引发一次A/D结束中断,进而产生一次PTS中断。当PTS中断执行时,它首先读取PTS控制块的内容,如表2所示,依次为命令计数器,命令寄存器,源/目的寄存器和结果寄存器。根据源/目的寄存器的内容,读取该地址的A/D命令并执行,然后根据命令寄存器的UPDT位的值,将源/目的寄存器的地址加二,把上一通道的转换结果送入该寄存器,同时计数器减一,这样完成一个PTS周期。直到计数器为零,PTS中断结束。

   3 可靠性设计及抗干扰措施

    ·主电路中主开关采用带保护的IGBT模块,并外加snnbber电路。

    ·加入冗余整流模块,个别模块出现故障时,不会影响整机运行。

    ·所有的保护及安全电路都设有全硬件继电保护,各模块入口设熔断保护。

    ·为减少电磁辐射干扰的影响,对控制板进行了屏蔽。

    ·采用单点接地和隔离电源供电,消除共阻抗回路。数字地线、模拟地线、信号源地线和负载地线分开设置。数字电路、模拟电路和负载电路分别单独供电,独自构成回路且单点接地。

    ·加强电源退耦,电源线与地线之间加退耦电容。

    ·A/D转换采用软件滤波,以减小干扰的影响,提高测量和计算的准确性。

    ·为防止微机控制器程序执行出错或进入死循环,设WATCHDOG,超出定时时间后能自动使系统复位。

    总之,本系统采用分级控制结构,便于系统的升级和维护,同时也提高了系统的安全性。系统在实验室调试、运行稳定,下一步将进行产品化的研究。

 

 

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2003.html
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