高效復合化信號發生裝置研究與應用

于亞雄，邱小波，楊銘軒

（南方電網調峰調頻發電有限公司檢修試驗分公司，廣東廣州，511400）

0 前言

電力生產過程中，經常會用到各種儀器儀表，而儀器儀表乃至個別設備的使用均需要外加電源進行供電后才能正常使用，經常同時存在多個電源同時使用的情況，會導致諸多弊端產生[1]，無法可靠保證設備的持續穩定運行。

本文針對工作過程中使用的絕大部分的交直流電源供電的設備及儀器儀表，研究提出一種高效復合化信號發生裝置。該裝置具備交直流電壓及電流信號輸出等多重功能，同時又兼具插孔式線纜盤的長距離使用特點，解決了以往現場多個電源和信號裝置共同存在的混亂局面，能有效提升現場工作效率及工作品質，在總量業務恒定的格局下企業成本管控方式的研究上有實際價值，并有助于打通多重信號源的集中微型復合化研究路徑，為后續復雜類儀器儀表的多功能生產及應用提供解決方案，在應用研究方面具有較高的價值。

1 設備整體架構設計

設備整體架構分為信號源、功率電源和主控系統三大部分。其中，功率模塊因為受控于主控模塊，受控方式采用固態繼電器控制。功率模塊輸出存在多個輸出檔位，采用統一的輸入電壓48V可以簡化系統設計，各個檔位通過各自的DC-DC電路獨立輸出，避免相互影響。具體見圖1所示。

圖1 設備整體框架

為了保證功率模塊安全可靠運行，必須對功率模塊的輸出進行監控和采集，因此需要獨立的電壓和電流采集模塊，以及快速響應的硬件保護電路[2]。

圖2 功率電源框圖

4-20mA信號發生器是獨立的一個電路模塊，主要用途就是產生4-20mA恒流源。3.5寸液晶和旋鈕、按鍵組成人機交互系統。

2 4-20mA信號源設計

采用DAC和恒流源發生器一起組成4-20mA信號發生器，其中DAC輸出程控電壓，恒流源發生器對DAC輸出的電壓進行電壓-電流轉換，同時提供DAC的5V工作電壓。

3 功率電源輸出、采集、保護和切換

功率電源是設備的功率輸出部分，輸出電壓支持直流5/12/24/48/220V， 其 中12/24/48/220V可以進行檔位切換，功率小于50W，5V為輔助的固定輸出，最大輸出電流2A。

3.1 電壓電流采集

3.1.1 分壓電阻和采樣電阻

設計分壓電阻的分壓比K為1000，增益G為12。

分壓電阻選擇0.1%精度的薄膜貼片電阻，溫漂系數25ppm/℃，封裝為200V耐壓的1206封裝。電流采集的思路是采樣電阻+放大器，采樣電阻為阻值0.075Ω，精度0.1%，功率2W的合金電阻。

3.1.2 隔離放大器

基于線性度和誤差的要求，采用來自TI半導體的隔離放大器AMC1200，其共模抑制比高達108dB，非線性誤差正常時僅為±-0.015%，自帶8倍增益，增益精度0.5%。

3.1.3 差分轉單端

差分輸入轉單端出電路采用儀表放大器完成AD623為核心[3]，可以通過外置增益設置電阻進行1至1000的增益選擇，增益誤差典型值為0.35@ G＞ 1。并輸入端增加RC低通濾波器，可以降低高頻干擾信號。

3.2 DC-DC升降壓

采用Buck降壓和Boost升壓拓撲，在輸入48VDC的條件下輸出5/12/24/48/220VDC五個不同電壓，如圖3所示。

圖3 24V降壓和220V升壓電路

3.2.1 Buck升壓和降壓

5V/12V/24V的DC-DC采用開關降壓芯片TPS54360。具有集成型高側 MOSFET的60V、3.5A 降壓穩壓器，其寬開關頻率范圍可實現對效率或者外部組件尺寸的優化[4]。220V輸出采用BOOST升壓拓撲，具有高電壓、低側、N溝道等特點。

3.3 過流保護和過/欠壓保護

本文采用硬件電路的方式實現過流、欠壓和過壓保護。

3.3.1 保護閾值參考電壓

保護閾值電壓電流存在多個檔位，但同一時間只使用一個參數，故采用參考源+分壓電阻+模擬開關切換的方案來實現[5]。

因為功率輸出存在多種電壓數值和多種電流閾值，保護電路需要在不同的輸出電壓選擇上，選擇不同的閾值范圍，選擇方式通過模擬開關進行切換。

3.3.2 比較器電路

比較器電路是功率輸出保護電路的重要一環，電壓電流采集電壓通過比較器和預設的閾值電壓進行比較，若采集值超出范圍，比較器輸出狀態反轉。

電流保護采用遲滯比較器，電壓保護采用窗口比較器，比較器芯片采用經典的LM393。

3.4 安全切換

多檔位輸出的核心是需要在設計一個可靠的檔位切換電路，本設計采用固態繼電器+小型機械繼電器配合的方式來解決傳統高壓直流繼電器體積過大的問題，如下圖4所示。

圖4 切換流程

固態繼電器負責48V總開關，機械繼電器負責切換多個檔位，為了保證機械繼電器的觸點可靠彈開，切換過程預先斷開48V總電源，接著機械繼電器的觸點不帶電的情況下完成需要的彈開和閉合操作，在操作完畢后48V重新上電。

這種檔位切換流程雖然相比傳統方法較為繁瑣，檔位切換過程供電不能持續，但是檔位切換本身就需要斷開負載操作來避免負載過壓或欠壓，這個缺點想對于節省的設計空間，是利大于弊的。

3.4.1 繼電器驅動

固態繼電器是一種集成的非接觸式電子開關設備，體積小（緊湊），壽命長（壽命長）切換速度快工作頻率高。

機械小型繼電器采用兩開兩閉8腳信號繼電器，額定電流2A，采用兩刀并聯的方式將額定電流擴展到4A。

4 結語

基于安全切換可靠、信號輸出穩定等多種特點，本裝置已在工業現場作業領域開展了廣泛應用，能夠充分改善現場設備及儀器儀表使用過程中多重化電源應用方式的分離現狀，大幅度提升工作效率，對于電源復合化設計提供具有的借鑒意義