便于集成的智能化电源模块监控系统研究

0 引言
    随着电力电子技术的快速发展，开关电源越来越受到重视，尤其是在通信、电力领域中得到了广泛应用。近年来，为了提高电源使用的方便性和简易性，电源的模块化和集成化成为研究的重要课题。电源采用模块化设计使得不同的系统可以根据自身的容量来选择并联模块的数量，同时又保证了冗余度，便于维护和替换，实现丁“积木式”结构，而针对这种新的系统结构，旧的电源监控维护方式已无法满足管理要求，因此，有必要采用“积木式”多重监控系统。目前，一些文献介绍了这种电源监控方式，但是，监控模块没有考虑到成本、体积等因素，而在将电源主功率和其他外围电路集成时，这些因素是不得不考虑的。为了便于将监控模块与主功率模块集成在一起，实现小型化，保证可靠性，必须设计出结构简单、功能强大、抗干扰能力强、成本低廉、便于大规模生产的监控模块。

1 监控系统硬件设计
1.1 监控系统硬件结构
    为了简化监控模块的电路，采用总线式设计方案，即将大量的数据处理放在系统级监控中，而模块级监控负责数据采集(包括输出电压、电流)，以及提供各种保护功能并且进行状态监控(包括过热、过流、过压、电网故障等)。由上位机通过通信总线对各个电源模块进行管理，监控系统框图如图1所示。

1.2 监控模块硬件功能设计
    单个监控模块所要实现的功能包括监测功能、控制功能和通信功能．监测是指动态采集模块输出电流、判断模块工作状态，并将数据和有关状态传输给系统上位机；控制是指接受上位机发出的调压信号进行模块输出电压的调节，也可以通过面板上电位器进行输出电压调节，同时实现故障保护；通信是指模块配备RS485接口与系统上位机通信。
    监控模块的功能框图如图2所示。电源主功率电路采用移相全桥，可以实现软开关，提高效率，为了扩展软开关的负载范围，增加了辅助网络，具体的电路和工作方式本文不做讨论。虚线框内所示就是整个监控模块，模块的输入量有电网输入电压、散热片温度、电源输出电压和输出电流；模块的输出量有调压信号、电源关闭信号和送给上位机的电源运行状态信号。

    微处理器是监控的核心器件，奉系统采用PHILIPS公司的P87LPC768单片机，其内部集成了PWM口、UART、WATCHDOG，该微处理器体积小(20脚)、功耗低、功能强大。PWM口可以用来进行D／A转换，由于对输出电压的调节不是很快的调速系统，因此只需要普通光耦隔离，跟随阻容滤波器进行滤波，得到控制信号，对输出电压进行调节，这样，充分利用了单片机内部的资源，减少了容易受温度和电磁场干扰的外围元器件。
    由于电源模块内部温度变化较大，普通的模拟信号隔离(如采用线性光耦隔离)受温度影响较大，因此先对输出电压和电流进行采样，得到数字信号，然后再通过光耦隔离送入单片机内处理。电流采样选用的是串行A／D转换器(如MAX1109)，这样一方面节省了单片机有限的管脚资源，另一方面减小了模块体积。由于串行A／D转换器的数据读出和写入的频率可以比较低，因此可以采用普通光耦，降低成本。而转换时钟则可以采用A／D转换器内部的高频时钟，不会影响转换精度。
    采样得到的输出电压和电流值，也可以通过串行通信传送到上位机，供上位机对整个系统进行监控管理，同时也供模块本身的液晶显示用。为了节约单片机的资源，可以采用串行传送的方案。通过一个串行／并行转换器(如74LS164)来实现这一功能。液晶可以采用模块，简化设计电路，提高可靠性。同时为了节省单片机资源，可以让液晶模块工作在4位数据方式。
    监控模块的电压调节方式有两种：一是通过手动调节旋钮进行手动调节，二是修改软件里的设置进行调节(系统级监控中才涉及)。控制电源模块的输出电压主要是要控制PWM波形的占空比，第一种方式下必须设计出可以产生占空比可调的PWM波形的电路(如由555定时器组成的占空比可调的多谐振荡电路)，第二种方式下，是利用PHILIPS的P87LPC768单片机的PWM口产生PWM波形，而占空比的改变是在软件中进行设置的。
    监控模块与上位机进行通信时，由于是多级通信，必须要有地址来进行相互区分，对每个模块进行地址编码，模块的地址设定靠拨码开关来控制，设置好的地址通过并进串出移位串行寄存器读入单片机内进行处理。通信采用485协议。
    采用上述设计方案设计出来监控模块体积小，成本较低，功能又比较完善。

2 监控系统软件设计
    整个系统的软件采用模块化设计，由多个子程序构成，便于调试和扩展。为了提高采样数据的准确性，减小误差，在程序中采用了数字滤波技术。
    主程序的流程图如图3所示，初始化后进入主循环，检测系统的状态，判断是否过压，电网是否故障，是否过温，是否过流，并且采样输出电流，转换成电压信号作为显示并且通过通信总线输送到上位机。由于模块的电压、电流显示只是起到监视作用，不作为测量，因此刷新的频率不需要很高，基本上不加重MCU的负担。

    检测系统状态时，如果发生了故障，延时再判断是不是真的出现故障，一旦确认是出现了故障，关掉模块输出，同时用不同的LED指示灯来显示不同的故障。这其中，过温故障和电网故障是属于可恢复性故障，因此要求等待一定时间，当故障消失后，模块能够重新启动；而输出过压和过流故障是不可恢复性故障，则不应该再让模块重新启动。
    上位机对下位机的控制主要通过通信总线，采用主从式多机通信方式，上位机首先处于方式二，发出地址帧，然后等待从机的回答信号，收到后转为方式三，再发出指令。被呼叫的从机收到主机的地址帧后，如果与自己的地址一致，就从方式二切换为方式三，把自己的地址作为数据发出，然后等待指令。
    数据格式如下：

    D8位为1表示发出的是地址帧，08位为0表示发出的是数据帧。模块地址编号从0到15，与模块放置次序一一对应。通信波特率为2400bps。

3 结语
    本文介绍的监控系统，功能齐全，可靠性高，体积很小，而且抗干扰能力强，受温度影响小，成本低廉，能够应用在高功率密度电源模块中，有很大的实用价值，现已应用在通信电源产品中。