開(kāi)關(guān)電源數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江良偉， 潘普豐， 弭寒光， 張宏波

(北京航天自動(dòng)控制研究所，北京100854)

開(kāi)關(guān)電源數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江良偉， 潘普豐， 弭寒光， 張宏波

(北京航天自動(dòng)控制研究所，北京100854)

隨著電氣系統(tǒng)智能化、集成化的提高，對(duì)電源的操作也提出了新的要求。介紹了一種開(kāi)關(guān)電源的遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)組成、軟硬設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)運(yùn)行可靠，能滿足電源使用要求。

開(kāi)關(guān)電源；網(wǎng)絡(luò)；數(shù)字電位器；調(diào)壓系統(tǒng)

傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源調(diào)壓系統(tǒng)是通過(guò)改變模擬電位器，進(jìn)而改變基準(zhǔn)參考電壓實(shí)現(xiàn)輸出電壓的改變。這種調(diào)壓系統(tǒng)存在明顯的不足，具有調(diào)壓精度低、不易調(diào)節(jié)且人為因素大，容易受溫度、振動(dòng)等環(huán)境影響，不易進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等缺點(diǎn)。

本文介紹了一種新型的數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)，不僅克服了模擬調(diào)壓系統(tǒng)的諸多缺點(diǎn)，而且操作方便，運(yùn)行可靠。

1　系統(tǒng)組成

為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)。總體的方案是通過(guò)在被調(diào)電源外部增加調(diào)壓控制電路，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電源反饋環(huán)路的基準(zhǔn)電壓。其中核心執(zhí)行部件是帶有SPI接口的數(shù)字電位器，控制中樞是電源監(jiān)控板。

根據(jù)控制原理，采用開(kāi)環(huán)控制，其中控制部分為電源監(jiān)控板、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是數(shù)字電位器、被控對(duì)象是開(kāi)關(guān)電源。

基本工作原理如下：在測(cè)控計(jì)算機(jī)上輸入調(diào)壓設(shè)定值，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口傳到電源監(jiān)控板。在電源監(jiān)控板中設(shè)有控制接口SPI，電源監(jiān)控板發(fā)送SPI同步串口信號(hào)(片選信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào))到數(shù)字電位器。數(shù)字電位器在SPI信號(hào)控制下，其抽頭電壓經(jīng)過(guò)電壓跟隨器后和電壓基準(zhǔn)合成一個(gè)0～3 V的參考電壓。通過(guò)變化的參考電壓去調(diào)節(jié)電源模塊的調(diào)壓端，實(shí)現(xiàn)了電源輸出電壓的數(shù)字調(diào)節(jié)。

2　硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1所示，數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)硬件電路主要涉及電源監(jiān)控板和調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)，其中電源監(jiān)控板包括控制電路和網(wǎng)絡(luò)接口電路。

圖1　數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)框圖

2.1電源監(jiān)控板

2.1.1控制電路設(shè)計(jì)

電源監(jiān)控板控制電路主要由DSP、FPGA及外圍接口、數(shù)字量輸入電路、模擬量采樣電路、網(wǎng)絡(luò)通訊電路、存儲(chǔ)器電路以及調(diào)試接口電路等組成[1]。

監(jiān)控板控制電路的CPU采用TI的DSPSM32C6713BGDP S20EP[2]，時(shí)鐘頻率25 MHz，工作頻率100 MHz；其中FPGA選用Actel的APA300；模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用AD的AD7893SQ-5；網(wǎng)絡(luò)芯片選用SMSC的LAN9218I；組成框圖如圖2所示。

2.1.2網(wǎng)絡(luò)接口電路的設(shè)計(jì)

測(cè)控計(jì)算機(jī)與電源監(jiān)控板通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，電源監(jiān)控板中的網(wǎng)卡采用LAN9218I芯片[3]實(shí)現(xiàn)，與DSP通過(guò)地址線、數(shù)據(jù)線和控制線進(jìn)行連接，部分控制信號(hào)由FPGA進(jìn)行選擇。網(wǎng)絡(luò)采用UDP/IP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)連接采用的超五類網(wǎng)線。圖3為網(wǎng)絡(luò)接口電路框圖。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，電源整機(jī)可以接收來(lái)自測(cè)控計(jì)算機(jī)發(fā)送的調(diào)壓命令，同時(shí)電源的調(diào)壓值也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給測(cè)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。這部分實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)壓的遠(yuǎn)程控制部分。

圖2　電源監(jiān)控板組成框圖

圖3　電源網(wǎng)絡(luò)接口電路圖

2.2數(shù)字調(diào)壓電路設(shè)計(jì)

2.2.1數(shù)字電位器

數(shù)字電位器是數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件。數(shù)字電位器亦稱數(shù)控可編程電阻器，是一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械電位器(模擬電位器)的新型CMOS數(shù)字、模擬混合信號(hào)處理的集成電路。本設(shè)計(jì)采用Microchip公司的MCP41010數(shù)字電位器[4]，其接口靈活，使用方便，適合各種產(chǎn)品應(yīng)用。

數(shù)字電位器主要由兩部分組成：電阻輸出部分、邏輯控制部分。前者相當(dāng)于模擬電位器，后者通過(guò)SPI接口控制電阻輸出。圖4是MCP41010的組成框圖。

圖4　MCP41010組成框圖

2.2.2調(diào)壓電路設(shè)計(jì)

圖5為調(diào)壓接口電路。數(shù)字電位器的SPI控制是通過(guò)電源監(jiān)控板實(shí)現(xiàn)，其中SPI由監(jiān)控板中FPGA的邏輯電路產(chǎn)生，F(xiàn)PGA采用Actel的APA300。由FPGA產(chǎn)生的SPI控制邏輯安全可靠、容易剪裁和配置，不易受到外部環(huán)境的干擾。通過(guò)對(duì)不同的數(shù)字電位器分配不同的地址，實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)電源整機(jī)的電壓進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)。電源監(jiān)控板與數(shù)字電位器中設(shè)有隔離芯片ADuM1410，防止外部干擾進(jìn)入電源監(jiān)控板，提高了SPI信號(hào)的抗干擾能力。

圖5　調(diào)壓電路

3　軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，包括監(jiān)控軟件和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。監(jiān)控軟件與上位機(jī)軟件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，相互配合完成開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字調(diào)壓[5-6]。

3.1監(jiān)控軟件

電源監(jiān)控軟件采用層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)軟件劃分為硬件管理層、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)層、通信管理層和功能實(shí)現(xiàn)層，軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖6所示。

軟件采用C語(yǔ)言編寫，在無(wú)操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行。軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，自頂向下的開(kāi)發(fā)模式，進(jìn)行開(kāi)發(fā)。其中，網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)了UDP、ARP、ICMP協(xié)議，用于電源控制模塊與上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信。

圖6　電源監(jiān)控軟件系統(tǒng)架構(gòu)

3.2上位機(jī)設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件用于開(kāi)關(guān)電源輸出測(cè)試，可以方便進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源輸出調(diào)壓及狀態(tài)監(jiān)視，采用VC++編寫。

圖7為用于監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行情況的上位機(jī)界面，可以監(jiān)測(cè)輸出電壓、輸出電流、均流情況、電源故障碼、系數(shù)標(biāo)定、測(cè)試數(shù)據(jù)記錄，以及進(jìn)行電源遠(yuǎn)程調(diào)壓等。

圖7　上位機(jī)監(jiān)控軟件示意圖

4　測(cè)試分析

將數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，表1是通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控軟件進(jìn)行調(diào)壓后得到的調(diào)壓設(shè)定值與實(shí)測(cè)值。

表1　開(kāi)關(guān)電源輸出調(diào)壓測(cè)試

通過(guò)實(shí)測(cè)表明：開(kāi)關(guān)電源的各個(gè)模塊的電壓、電流均能正常實(shí)時(shí)顯示；通過(guò)點(diǎn)擊調(diào)壓按鈕，能對(duì)電源進(jìn)行遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)調(diào)壓，調(diào)壓精度較高；當(dāng)過(guò)流過(guò)壓時(shí)，實(shí)時(shí)界面能正常報(bào)警并記錄報(bào)警時(shí)間。

5　結(jié)論

本文主要圍繞電源遠(yuǎn)程調(diào)壓的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計(jì)了一款基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)測(cè)試分析可以看出，數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)運(yùn)行可靠，測(cè)試得到了較好的試驗(yàn)結(jié)果，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的要求。

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域。作為電源運(yùn)行維護(hù)的重要支撐手段，網(wǎng)絡(luò)操作將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，也將在航天領(lǐng)域扮演其獨(dú)特的角色。本文的進(jìn)一步工作將研究參與電源閉環(huán)控制的全數(shù)字控制及調(diào)壓系統(tǒng)。

[1]張功萱，顧一禾，鄒建偉，等.計(jì)算機(jī)組成原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]Texas Instruments Incorporated.TMS320C6713B DATA SHEET [EB/OL].[2016-03-01].http://www.ti.com/cn/lit/gpn/tms320c6713b.

[3]SMSC.LAN9218I DATA SHEET[EB/OL].[2016-03-01].http://html.alldatasheet.com/html-pdf/179175/SMSC/LAN9218I-MT-E2/103/1/LAN9218I-MT-E2.html.

[4]Microchip Technology Inc.MCP41XXX/42XXX DATA SHEET [EB/OL].[2016-03-01].http://pdf.dzsc.com/0-E/MCP42010-E_P.pdf.

[5]俞斌，何志勇.基于DSP的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2012，28(8)：79-80.

[6]范永山，李治源，支彬安.高壓恒流充電電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(14)：195-198.

Design of digital voltage regulator for switch power supply

JIANG Liang-wei,PAN Pu-feng,MI Han-guang,ZHANG Hong-bo
(Beijing Aerospace Automatic Control Institute,Beijing 100854,China)

With the intelligent and integrated improvement of electrical system,the operation of power supply has some new requirements.In this paper,a kind of remote voltage regulator in switch power supply was introduced;the system structure was analyzed,including the design proposal of software and hardware system,and the application. The experiment results show that the digital voltage regulator runs reliably,and meets the demand of power supply system.

switch power supply;network;digital potentiometer;voltage regulator

TM 46

A

1002-087 X(2016)10-2061-03

2016-03-20

江良偉(1982—)，男，浙江省人，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)閿?shù)字電源技術(shù)。