雙電源管理系統的設計與實現

劉鳳秋，徐征輝，劉勝劍

（哈爾濱理工大學 應用科學學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

供電的連續性是電力質量的一個重要方面。對于某些用電設備，如如醫院呼吸機、工廠可燃性氣體報警器、銀行視頻監控系統等尤為重要。保證供電連續性的辦法是給供電對象提供主、備兩路獨立的電源，并對兩路電源進行實時監控[1-2]。本文設計的雙電源系統使用電力MOSFET作為切換開關降低功率損耗、提高切換速度，使用推挽式電路實現輸入輸出隔離，使用微控制器進行實時監測，并配備遠程通信接口。當故障發生時，能安全、可靠地實現電源轉換，具有切換時間短、工作可靠、效率高，可廣泛應用于監控系統、報警系統等對供電質量要求比較高的場所。

1 系統設計

系統的整體框架如圖1所示。主電源由外部直流15 V電源提供，控制器時刻對主電源及備用電源狀態進行監測，通過切換電路及時向后續電路提供有效的電源供應，并在主電源正常時向備用電源充電保持備用電源的飽和狀態。隔離電路則通過推挽變壓器實現輸出與輸入的隔離，并提供穩壓功能，從而向用電設備提供4路彼此隔離的穩定的12 V輸出電壓。同時，本系統配備RS485遠程通信接口，并運行標準的Modbus協議，可以實現遠程主機對系統的配置及監視功能。

圖1 系統功能框圖Fig.1 Block diagram

2 系統硬件設計

系統的硬件結構如圖2所示。主要包括直流輸入濾波電路、輔助電源電路、蓄電池充電電路、切換電路、主控制器電路、推挽變壓器隔離電路構成。其中，輔助電源將輸入電壓變換到主控制器正常工作的穩定的+5 V直流電壓；充電電路在主電源正常的時候向蓄電池充電，保證蓄電池的電量飽和；切換電路負責在主電源與備用電源之間切換，從而向后續電路提供無故障的電源供應；推挽變壓器隔離電路實現輸入與輸出的隔離，并保證輸出電壓的穩定；主控制器時刻監測主電源及備用電源的狀態，并協調各個部分的正常工作，同時，通過RS485接口監聽遠程主機的控制命令，提供電路的狀態信息，并在故障指示電路上及時指示電路的故障信息。

圖2 系統硬件結構框圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

控制電路 控制及監視其他電路的正常運行。主要由主控制器、編程接口、故障指示及RS485通訊電路構成。本設計中，主控制器選用Atmel公司的ATMega16芯片。ATMega16是一款高性能、低功耗的8位微控制器，采用RISC指令結構，具有只需兩個時鐘周期的硬件乘除法器，5 V供電時最高時鐘頻率16 MHz，性能高達1 MIPS/MHz[3]。具有高達16 kB片上 Flash及 1 kB片上 RAM。 同時具有 PWM、ADC、SPI、USART等眾多外設。控制電路的原理圖如圖3所示。

在本系統中，ATMega16定時器0的PWM輸出引腳OC0用于控制蓄電池充電，主電源電壓、備用電源電壓和輸出電流經過阻容網絡進行分壓、濾波后由ADC通道0、1、2分別進行采樣監測，由AVR的硬件UART接口及485總線收發器MAX485構成的通訊接口則用于監聽遠程控制主機的命令，同時，設有6個LED燈用于系統狀態的指示。

圖3 控制電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of control circuit

功率輸入及控制 控制主電源及備用電源的功率流向。主要由輸入保護與濾波、切換電路、充電電路及輔助電源構成。電路原理圖如圖4所示。其中，VT1、D1及其外圍電路構成充電電路，VT2、D2、VT3、D5及其外圍電路構成切換電路。由于電路中使用了MOSFET與肖特基二極管，因此電路具有耗較小，切換速度高的優點。輸入的直流電源或蓄電池供電經開關電源芯片AMC3100變換得到+5 V的輔助電源，用于微控制器及其外圍電路的供電。

推挽式隔離輸出 用于輸入與輸出的隔離。由于輸入電壓比較低，因此電路采用了推挽式電源拓撲結構，其優點是效率高、功率器件驅動容易等優點[4]。本設計中，控制芯片采用TI公司生產的開關電源芯片TL494。推挽變壓器采用EC40磁芯繞制，初級線圈采用4T+4T的繞制工藝。為進一步降低功率損耗，采用全波整流代替全橋整流電路，因此，次級采用4組5T+5T的繞制工藝，從而可向后續電路提供4路彼此隔離、電壓相等的獨立電源。電路中采用線性光耦（U4，PC817）構成反饋電路，保證了輸出電壓的穩定性。在N型MOSFET的源極與電路GND之間接電流采樣電阻，同時，使用了控制芯片TL494內部的一個誤差放大器構成了關斷電路，使得控制電路能夠時刻監測輸出電流狀態，并在過流或短路發生時及時關斷電源供應，保障電路的安全。電路原理圖如圖5所示。

3 系統軟件設計

圖4 功率輸入及控制電路Fig.4 Schematic diagram of power input and control circuit

圖5 推挽式隔離輸出電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of push-pull isolation output circuit

表1 通信功能具體寄存器描述Tab.1 Register description of the communication function

為實現RS485通訊，本設計中移植了FreeModbus V1.5.0通訊協議。Modbus是一個廣泛應用于工業控制中的標準通信協議，具有開源、可以支持多種電氣接口（如RS485、RS232等）、幀格式簡單、緊湊，通俗易懂等諸多優點[5－6]。本設計中使用RS485總線通信并移植Modbus協議監聽遠程命令。涉及的數據類型有：coils（線圈。單個位，控制是否輸出，指示電路當前狀態）、Input Registers（輸入寄存器。16位數據，讀取輸入電壓與輸出電流值）與Holding Registers（保持寄存器。16位數據，存放遠程主機設置的保護電流值）。本設計中，使用Modbus RTU通訊模式，從機地址空間為1～200，通信速率為38 400 bps。具體的寄存器分配地址、默認值及功能解釋如表1所示。

由于Modbus協議的通信過程是無需用戶干涉的，因此，只需要周期性調用Modbus通信處理函數，并向相應寄存器內寫值即可。為保證實時性，在定時器2的比較匹配中斷內調用此函數，中斷周期為125 ms。ADC使用定時器0溢出中斷觸發，并在ADC轉換完成中斷內實現ADC數據的讀取。本設計中主程序的流程圖如圖6所示。

圖6 系統軟件流程圖Fig.6 Flow chart of the software design

圖7 遠程Modbus主機讀取數據圖Fig.7 Figure of remoting Modbus master reads data

4 調試與實驗

根據以上思想設計并試制一臺樣機。通過運行于PC機上的Modbus Tester軟件對系統寄存器值進行讀取，主機通信參數設置及數據讀取結果如圖7所示。經實際帶載測試，本系統切換時間小于1 ms，輸出功率為100 W時電壓精度為12 V±0.5%，效率大于85%。

5 結束語

本文完整地討論了以ATMega16單片機為主控制器的帶隔離功能的雙電源管理系統的設計，并對其中涉及關鍵問題進行了詳細的討論。針對高端電子設備對不間斷供電電源的更高要求，提出了一種有效的解決途徑。使用該設計方案在簡化雙電源電源管理系統的硬件設計的同時，大大提升了系統的品質與性能，具有很高的推廣價值。

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