高校實驗室智能弱電供電管理系統設計

陸大偉

摘 要：為了豐富高校實驗室現有供電模式，以適應日益增長的智能化、安全性要求，根據高校實驗室供電安全現狀，設計了一種主要應用于高校實驗室的智能弱電供電管理系統，采用STM32系列高速低功耗微處理器為控制核心，以脈寬調制控制全橋隔離開關電源技術為基礎，將應用輸出端口電壓控制在人體可承受的安全電壓以內，并且具有檢測、反饋、保護、顯示、交互等多個輔助功能模塊，研制出一種安全、高效、便捷、穩定的實驗室智能化供電系統，有較大的實際應用價值。

關鍵詞：智能電源 STM32 PWM 開關電源

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（c）-0166-02

高校實驗室是理工類高等學校的重要組成部分。實驗室受眾面積大，用電頻繁，如何有效安全用電成為了實驗室建設和運行中不能忽視的課題。現行實驗室用電標準基本為220 V交流市電供電，即使在線路布局、切斷保護等各方面都進行了較多考慮，仍然有很大的安全隱患[1]。為了更好地加強物理實驗室的用電安全，該文基于32位微型處理器和高效大功率開關電源技術，設計了一種實驗室智能化弱電供電系統，徹底解決了實驗室用電安全難題。

1 智能弱電供電系統總體規劃

該實驗室智能弱電供電管理系統基本性能指標（見表1）。

系統采用單片機智能控制開關電源將交流市電轉化成安全弱電供給輸出使用端口。系統可以根據負載的變化，及時調節輸出功率，提高用電效率。還可以監控各個供電支路和端口的使用情況，保障供電和用電安全。

2 基于STM32的中央智能管理單元設計

中央智能管理單元核心采用STM32系列低功耗、高穩定度微型處理器STM321

03VET6（MPU），處理速度高達72 MHz，

附加數據采集、輸入控制、輸出控制、限定

保護等子模塊構成中央控制單元。STM321

03VET6處理器具有大量GPIO、中斷、CAN、USB和AD轉換端口[2]，外設資源極其豐富，擁有內部存儲單元，還可運行在低功耗模式。中央單元的主要功能有數據采樣、運算處理、反饋控制、顯示輸出等。

數據采樣功能是指通過AD轉換端口或相關電路采集相關端口的電壓和電流、負載數量、即時功率、故障等數據并傳遞給MPU。運算處理功能是指通過MPU的指令系統將實時數據傳入程序函數進行運算，并根據預先設定的程序進行處理，或者自主產生特定的信號，比如產生脈寬調制（PWM）波形，以供給其他功能模塊。反饋控制功能基于MPU得到的運算結果，通過GPIO端口輸出到各個相關控制電路，使相關模塊產生相應動作以實現實時、快速、穩定、準確、高效的控制。顯示輸出功能可以將系統當前運行狀態、即將執行動作等信息通過屏幕顯示出來，也可以傳輸到計算機中進行顯示和控制（見圖1）。

過載檢測和保護電路共同協調，對于輸入、輸出電壓、電流和模塊運行溫度數據進行分析和處理，產生相應動作，保障電源整體運行安全平穩。

3 大功率開關電源轉換單元設計

開關電源轉換單元設計開關頻率為30 kHz，采用脈寬調制（PWM）全橋隔離式拓撲結構。整流電路使用大功率整流模塊，根據本系統設計參數，最大輸入功率為10 kW，最大輸入電流應為46 A，基于安全經濟等考慮，應選用工作電流100 A、耐壓1000 V的整流橋堆。全橋逆變整流電路采用英飛凌公司的100 A/600 V大功率IGBT模組[3]。全橋IGBT驅動電路采用IR2133集成驅動芯片。高頻變壓器采用鐵氧體磁芯，原副邊變換比為10∶1。同時設計了濾波、保護、穩壓等附屬電路（見圖2）。

脈寬調制（PWM）波形由STM32微處理器產生，通過調節脈寬占空比，就可以控制輸出功率，既可控制系統用電效率，也可以提高整體運行安全性。開關電源到用電終端之間還可選擇連續可調電壓輸出應用模塊或固定分立電壓輸出模塊。檢測保護部分可以采用UC3895控制芯片實現動態控制[4]。

4 應用端口分布式設計

實驗室智能弱電供電管理系統應用端口采用分布式、模塊化設計，其拓撲結構見圖3。

供電線路從總分線器出發，分別接駁到實驗室各個房間的端口，再連接到房間內部的輸出端子上。各個接插部分采用標準化即插即用型部件，有利于根據需要更改、擴充相應端口數量。每個端口具有獨立的檢測、保護裝置，并可以根據需要在0～30V范圍內調整供電電壓。

該文設計的智能弱電供電管理系統可以依托原有實驗室供電系統（220 V市電）線路管道布線，并適當對現有實驗臺供電插口進行改裝，或者加裝新式弱電端口，即可正常使用，實現起來比較方便。

5 結語

智能弱電供電管理系統設計科學合理、安裝實施方便、投入成本不高、控制管理有效，從根本上解決了實驗室的用電安全問題，為實現實驗室全面安全管理奠定了重要基礎。但由于不兼容現有大部分實驗設備的供電標準，目前僅適用于需要弱電電源進行支持的分立式儀器儀表的組合實驗。當然對于現有實驗儀器來說，通過努力更改內部電源電路以直接使用弱電電源供電也是可行的。

參考文獻

[1] 賈賢龍.高等學校實驗室安全現狀分析與對策[J].實驗室研究與探索，2011，12：193-195.

[2] 張旭，亓學廣，李世光，等.基于STM32電力數據采集系統的設計[J].電子測量技術，2010，11：90-93.

[3] 瞿世尊，王可亮，陳健.大功率開關電源的設計與實現[J].電子工程師，2004，4：38-41.

[4] 惠露，李敏遠.基于LabVIEW的分布式開關電源監控系統 [J].西安理工大學學報，2014，3：351-356.