5kW高频通信电源整流及监控系统

     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。