開關(guān)電源數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)設計

江良偉， 潘普豐， 弭寒光， 張宏波

(北京航天自動控制研究所，北京100854)

開關(guān)電源數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)設計

江良偉， 潘普豐， 弭寒光， 張宏波

(北京航天自動控制研究所，北京100854)

隨著電氣系統(tǒng)智能化、集成化的提高，對電源的操作也提出了新的要求。介紹了一種開關(guān)電源的遠程調(diào)壓系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)組成、軟硬設計及應用情況進行了分析。經(jīng)過試驗驗證，數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)運行可靠，能滿足電源使用要求。

開關(guān)電源；網(wǎng)絡；數(shù)字電位器；調(diào)壓系統(tǒng)

傳統(tǒng)的開關(guān)電源調(diào)壓系統(tǒng)是通過改變模擬電位器，進而改變基準參考電壓實現(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、振動等環(huán)境影響，不易進行遠程控制等缺點。

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，而且操作方便，運行可靠。

1　系統(tǒng)組成

為了實現(xiàn)開關(guān)電源輸出電壓的調(diào)節(jié)，設計了一種新型的數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)。總體的方案是通過在被調(diào)電源外部增加調(diào)壓控制電路，調(diào)節(jié)開關(guān)電源反饋環(huán)路的基準電壓。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，采用開環(huán)控制，其中控制部分為電源監(jiān)控板、執(zhí)行機構(gòu)是數(shù)字電位器、被控對象是開關(guān)電源。

基本工作原理如下：在測控計算機上輸入調(diào)壓設定值，通過網(wǎng)絡接口傳到電源監(jiān)控板。在電源監(jiān)控板中設有控制接口SPI，電源監(jiān)控板發(fā)送SPI同步串口信號(片選信號、時鐘信號、數(shù)據(jù)信號)到數(shù)字電位器。數(shù)字電位器在SPI信號控制下，其抽頭電壓經(jīng)過電壓跟隨器后和電壓基準合成一個0～3 V的參考電壓。通過變化的參考電壓去調(diào)節(jié)電源模塊的調(diào)壓端，實現(xiàn)了電源輸出電壓的數(shù)字調(diào)節(jié)。

2　硬件電路設計

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)壓電路的設計，其中電源監(jiān)控板包括控制電路和網(wǎng)絡接口電路。

圖1　數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)框圖

2.1電源監(jiān)控板

2.1.1控制電路設計

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)絡通訊電路、存儲器電路以及調(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)絡芯片選用SMSC的LAN9218I；組成框圖如圖2所示。

2.1.2網(wǎng)絡接口電路的設計

測控計算機與電源監(jiān)控板通過網(wǎng)絡進行通訊，電源監(jiān)控板中的網(wǎng)卡采用LAN9218I芯片[3]實現(xiàn)，與DSP通過地址線、數(shù)據(jù)線和控制線進行連接，部分控制信號由FPGA進行選擇。網(wǎng)絡采用UDP/IP協(xié)議，網(wǎng)絡連接采用的超五類網(wǎng)線。圖3為網(wǎng)絡接口電路框圖。

通過網(wǎng)絡，電源整機可以接收來自測控計算機發(fā)送的調(diào)壓命令，同時電源的調(diào)壓值也可以通過網(wǎng)絡傳送給測控計算機進行顯示。這部分實現(xiàn)數(shù)字調(diào)壓的遠程控制部分。

圖2　電源監(jiān)控板組成框圖

圖3　電源網(wǎng)絡接口電路圖

2.2數(shù)字調(diào)壓電路設計

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)機械電位器(模擬電位器)的新型CMOS數(shù)字、模擬混合信號處理的集成電路。本設計采用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。前者相當于模擬電位器，后者通過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)壓電路設計

圖5為調(diào)壓接口電路。數(shù)字電位器的SPI控制是通過電源監(jiān)控板實現(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。通過對不同的數(shù)字電位器分配不同的地址，實現(xiàn)對多臺電源整機的電壓進行單獨調(diào)節(jié)。電源監(jiān)控板與數(shù)字電位器中設有隔離芯片ADuM1410，防止外部干擾進入電源監(jiān)控板，提高了SPI信號的抗干擾能力。

圖5　調(diào)壓電路

3　軟件設計

軟件設計是系統(tǒng)設計的重要組成部分，包括監(jiān)控軟件和上位機軟件設計。監(jiān)控軟件與上位機軟件通過網(wǎng)絡進行通訊，相互配合完成開關(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)設計，整個軟件劃分為硬件管理層、網(wǎng)絡驅(qū)動層、通信管理層和功能實現(xiàn)層，軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖6所示。

軟件采用C語言編寫，在無操作系統(tǒng)環(huán)境下運行。軟件采用結(jié)構(gòu)化設計思想，自頂向下的開發(fā)模式，進行開發(fā)。其中，網(wǎng)卡驅(qū)動層實現(xiàn)了UDP、ARP、ICMP協(xié)議，用于電源控制模塊與上位機的網(wǎng)絡通信。

圖6　電源監(jiān)控軟件系統(tǒng)架構(gòu)

3.2上位機設計

監(jiān)控軟件用于開關(guān)電源輸出測試，可以方便進行開關(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)測開關(guān)電源運行情況的上位機界面，可以監(jiān)測輸出電壓、輸出電流、均流情況、電源故障碼、系數(shù)標定、測試數(shù)據(jù)記錄，以及進行電源遠程調(diào)壓等。

圖7　上位機監(jiān)控軟件示意圖

4　測試分析

將數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)應用于開關(guān)電源進行整機測試，表1是通過上位機監(jiān)控軟件進行調(diào)壓后得到的調(diào)壓設定值與實測值。

表1　開關(guān)電源輸出調(diào)壓測試

通過實測表明：開關(guān)電源的各個模塊的電壓、電流均能正常實時顯示；通過點擊調(diào)壓按鈕，能對電源進行遠程的網(wǎng)絡調(diào)壓，調(diào)壓精度較高；當過流過壓時，實時界面能正常報警并記錄報警時間。

5　結(jié)論

本文主要圍繞電源遠程調(diào)壓的實現(xiàn)進行了深入的研究，設計了一款基于網(wǎng)絡的數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)，并進行了試驗驗證。通過對測試分析可以看出，數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)運行可靠，測試得到了較好的試驗結(jié)果，達到了預期設計的要求。

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)開始應用于開關(guān)電源領(lǐng)域。作為電源運行維護的重要支撐手段，網(wǎng)絡操作將發(fā)揮越來越重要的作用，也將在航天領(lǐng)域扮演其獨特的角色。本文的進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.計算機組成原理[M].北京：清華大學出版社，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)的設計[J].微計算機信息，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)設計[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，主要研究方向為數(shù)字電源技術(shù)。