開關電源接口電路及故障監控系統的研究

葛維軍

(南通職業大學技師學院，江蘇南通226007)

開關電源接口電路及故障監控系統的研究

葛維軍

(南通職業大學技師學院，江蘇南通226007)

隨著工業和電力電子技術的發展，開關電源越來越多地出現在了工業生產、工作生活等各個方面，其工作的穩定性以及工作效率的高低直接影響到開關的性能和使用領域。首先介紹了常用的開關電源監控接口電路工作原理，設計了一種基于無線射頻傳輸的監控接口電路。實驗結果表明，基于此類接口電路的開關電源故障監控系統工作穩定，實時性強，具有一定的借鑒意義。

開關電源；故障監控；無線傳輸；接口電路

隨著現代工業的不斷進步，電力電子技術也得到了長足的發展，各種用電設備成為生產生活中不可或缺的角色。而這些電力電子設備的運行，無一例外地會應用到電源系統。其中，高頻開關電源成為了電源系統的重要組成部分。

開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。它主要具有體積小、質量輕、功耗低、效率高、穩壓精度高、不使用電源變壓器等基本特點，是常規線性開關的良好替代品，已廣泛應用于各種電子設備中[1]。

開關電源的應用提高了電源的使用效率。但是，它工作的穩定性又直接影響著用電設備的可靠性和安全性，所以，實時地對開關電源進行有效監控就顯得尤為重要。

開關電源監控系統的主要功能是通過電源與計算機的通信模塊完成與監控中心的信息交換，這些信息中包含著電源系統的各種運行狀態信息，以便監控中心利用這些信息對開關電源的運行狀態進行有效地分析；同時還能夠接收來自監控中心的各種監測與遙控命令，使開關電源在這些命令的指導下執行各種命令，例如開、關機和均、浮充等。

在整個開關電源監控系統中，開關電源與計算機通信模塊間的數據交換是設計的重點。目前，大多數的開關電源都是利用RS323接口來構建一條數據通道來進行開關電源與監控單元之間的數據通信，這種通信方式布線復雜、不利于維護。因此，本文提出了一種利用無線傳輸方式構建上下位機數據通信的方式來解決這一問題。

1 監控系統整體結構設計

以無線方式構建開關電源監控系統，最大的優勢在于省去了布線的繁瑣，減少了維護的工作量。它是利用分布在終端節點上傳感器，來采集開關電源系統的各種狀態參數，主要有輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、溫度等信息，將這些信息利用無線射頻的方式輸出至匯聚節點，匯聚節點通過網關與上位機相連，上位機中設置監控程序，可以設置相應的狀態值，來衡量采集數據的合法性，從而判定開關電源的運行狀態(正常、過流、過壓、過熱)。同時以此狀態來決定系統的工作方式 (運行/停止)。具體結構如圖1所示。

圖1 監控系統整體結構

如圖1所示，整個開關電源的監控系統由三個部分組成，分別為底層數據采集控制及短距離無線通信層、通信層、服務器及客戶端層，具體解釋為：

(1)底層數據采集控制及短距離無線通信層：底層數據采集層選用ZigBee技術來完成，每個開關電源都裝有基于Zig-Bee的終端節點，終端節點上帶有傳感器及相應的執行機構，一方面可以采集開關電源上的電流、電壓、溫度等信息，并將這些信息通過無線射頻的方式發送至底層通信網的協調器模塊；另一方面接收來自于協調器發出的ZigBee信號，并根據信號進行執行機構的操作控制。

整個底層數據采集與控制層采用無線傳感網技術，以Zig-Bee技術作為基礎網的構建核心，每個單體處理器采用CC2533，整個網采用簇狀-樹型結構，具體結構方式如圖2所示。在整個結構中，處于網絡終端的為終端節點，通過CC2533的引腳連接各種傳感器和執行機構；處于中間的為路由節點，負責數據的轉發；最后的為協調器節點，是整個網絡的數據轉發中心，各種采集數據由協調器通過網關上傳至監控中心，監控中心的操作命令也由協調器發送至各終端節點的執行機構。

圖2 ZigBee簇-樹狀網絡拓撲結構

整個網絡采用Z-stack協議棧。

(2)通信層：該層由嵌入式網關構成。為了保證系統的運行效率，一般采用嵌入式ARM芯片來完成，它承擔的主要作用是數據協議棧的轉換和數據的轉發，與協調器采用串口進行通信。在本設計中，網關由飛凌嵌入式ARM11-S3C6410開發板來擔任。核心板主頻選533 MHz，具有128 M字節DDR內存，256 M Byte Nand Flash，并且支持8Bit硬件糾錯算法，存儲安全可靠，它的擴展模塊還包括了3G、GPS、GPRS、WIFI、攝像頭、CAN/485總線、VGA/TV等數十種[2]，可以有效地擔當起網關的作用。

遠程通信的方式可以采用3G方式，也可以利用485總線以以太網的方式進行通信，依據具體工作場合所定。

(3)控制中心：控制中心由服務器來擔當，服務器中創建相應數據庫及監控程序，利用監控程序來分析存放在數據庫中的監控數據，并依據所設定的算法進行設備的開啟、關閉等控制操作。

2 監控系統硬件接口電路設計

在本設計中，開關電源與監控系統的接口部分主要由ZigBee節點來擔任，所以接口電路的設計就主要集中在電源供給接口電路、USB轉串口接口電路、調試接口和其它的一些傳感器或受控模塊的接口的設計上。因為篇幅所限，本文只列出電源供給接口和USB轉串口接口電路的設計。

2.1 電源供給接口電路設計

電源實現的功能主要為核心板等提供穩定的3.3 V電壓，同時為一些需要電壓相對較大的傳感器模塊等提供5 V電壓或者3 V電壓。另外在該模塊中還包括了重啟功能。電源模塊的原理圖如圖3所示。

圖3 電源模塊接口電路設計

在供電方式上支持USB供電、調試接口供電和4節干電池供電，只要將電源接入相應的引出的接口即可相對比較靈活。該模塊中起核心作用的是REG1117-3.3穩壓芯片，其主要功能是將輸入的電壓(5 V左右)轉成穩定的3.3 V電壓，輸出電流為800 mA，周圍的電容主要起去耦作用。

2.2 USB轉串口模塊設計

USB轉串口即實現計算機USB接口到通用串口之間的轉換，為沒有串口的計算機提供快速的通道，而且，使用USB轉串口設備等于將傳統的串口設備變成了即插即用的USB設備。在本系統中，因為有時候上位機裝在沒有串口的設備上，例如筆記本電腦上，這樣就需要使用筆記本的USB口來完成通信功能。在實際的應用中經常使用USB轉串口線或者USB芯片來完成，但是由于USB轉串口線相對不是很穩定而且還需要專門配線，所以本系統將USB轉串口功能集成到地板上，這樣只要在控制端上有對應的USB轉串口芯片的驅動就可以實現串口通信的功能。該模塊的原理圖如圖4所示。

圖4 USB轉串口原理圖

該電路中的采用的USB轉串口芯片是常用的CH340G，封裝方式為SOIC16，計算機端Windows操作系統下的串口應用程序完全兼容，無需修改。而且硬件為全雙工串口，內置收發緩沖區，支持通訊波特率50 bps～2 Mbps，完全支持ZigBee使用的波特率。

[1]劉明明.高頻開關電源及應用設計教程[M].北京：北京希望電子工業出版社，2002.

[2]王韋偉.基于ZigBee的智能家居無線數據傳輸系統的設計與實現[J].宿州學院學報，2014,29(7):80-83.

Research of switch power supply's interface circuit and fault monitoring and control system

With the development of the industry and power electronic technology,switching power supply were turning up in many aspects,such as industrial production,work and life.The performance of the switch and using areas were directly influenced by its work stability and the working efficiency.The commonly used switch power supply monitor interface circuit working principle was introduced.A kind of monitoring based on wireless rf transmission interface circuit was designed.The experimental results show that the switching power supply fault monitoring system based on this kind of interface circuit work is stable,strong real-time performance,and has a certain reference significance.

switching power supply;fault monitoring;wireless transmission;interface circuit

TM 712

A

1002-087 X(2015)10-2232-02

2015-07-01

葛維軍(1963—)，男，江蘇省人，本科，高級實習指導教師，主要研究方向為電子技術、電子元件、自動化設備應用。