集中供電電源的設計與實現

黨政 李斌

摘 要：用于消防控制系統的集中供電電源應具備不間斷供電的特性，能夠進行電池充電及智能顯示。本文通過半橋拓撲設計主電電路，以STM8S003F3P作為電源的控制單片機，使用繼電器控制電路實現主備電無縫切換，使用電池充電電路對蓄電池進行智能充電管理，最后搭建實際電路進行驗證。驗證結果表明：設計的集中供電電源輸出性能指標較高，且能夠實現不間斷供電及電池充電功能，滿足消防控制系統供電要求。

關鍵詞：集中供電電源；半橋拓撲；充電管理；智能

*國家重點研發計劃重大科學儀器設備開發專項（NO.2017YFF0106703）資助

0 引言

隨著社會經濟和科學技術的不斷發展，各種家用電器的出現使得人民生活越來越方便，用電負荷也不斷增加，消防設施的配套已成為小區住戶的安全保障。消防控制系統作為各種消防設施的控制樞紐，一旦停止運行，將會給整個小區的用電安全和人民的財產安全帶來極大的威脅[1]。而確保消防控制系統安全可靠持續運轉的關鍵部件就是集中供電電源。集中供電電源作為消防控制系統獨立的供電電源，其在電網正常供電、異常斷電時，能夠不間斷地為消防控制系統供電，保證應急照明、消防設備聯動等消防設施能夠安全可靠運行。目前，消防設備逐漸向智能化、信息化、網絡化方向發展，對集中供電電源提出了更高的要求，如輸出電壓實時顯示、電源工作狀態監測等[2]。

因此，針對不間斷供電和智能化控制的要求，本文采用直流輸出UPS的供電策略，有兩路獨立的輸入電源：一路由電網提供交流電源，經過整流濾波和DC/DC半橋拓撲兩級變換實現主電輸出，另一路由蓄電池組供電，提供直流備用電源輸入。基于STM8系列單片機控制繼電器實現主備電的切換和備電單投功能，采用智能充電管理技術提高電池壽命，增加主電、備電工作狀態顯示及實時電壓顯示。

1 整機設計方案

1.1 基本原理

集中供電電源主要由主電電路和備電電路兩部分組成，同時包含智能化顯示和控制，硬件的整體方案如圖1所示。主電采用兩段式變換結構：整流濾波電路和DC/DC半橋變換電路。市電220 V AC，經前級整流濾波電路后，通過后級DC/DC半橋變換電路實現直流24 V/20 A的功率輸出，同時產生蓄電池組的充電電源，經充電控制電路，為備電蓄電池組充電，此為主電供電狀態。當主電欠壓或斷電時，主電保護電路動作，關斷主電輸出，備電通過單片機對主電監測控制繼電器切入，為控制系統提供不間斷供電。一旦市電恢復正常，將自動切換到主電供電狀態。

通過STM8系列單片機組成的CPU系統，對蓄電池進行充電控制，完成智能化充電管理功能，同時通過對主電、備電的工作狀態、輸出電壓進行實時監測，將信號送到前面板進行狀態顯示，并對各種故障狀態進行報警。自檢功能在一定程度上能夠反映各硬件電路的工作狀態，該電路能夠對風扇、數碼管、指示燈等硬件狀態進行檢測，判斷各硬件是否能夠正常工作。

1.2 主電電路

1.2.1 T L494芯片和IR2101芯片介紹

TL494是一款可調頻率的脈沖寬度調制控制器，其內部集成誤差放大器、片內可調晶振、死區時間控制比較器、觸發器、5 V穩壓器以及輸出控制電路等，外圍電路少，易于設計。同時，TL494的輸出控制可以選擇兩種工作模式：單端和推挽[3]。

IR2101是一款含有欠壓鎖定的專用半橋驅動芯片，具有獨立的高端和低端輸出通道，邏輯輸入兼容標準的CMOS或者LSTTL輸出，實現10～20 V的柵極驅動電壓，浮動通道能夠驅動高達600 V的N溝道功率MOSFET或IGBT[4]。

1.2.2 主電電路工作原理

在前級整流濾波電路中，主要實現輸入整流濾波和初級輔助供電等功能。電路輸入部分增加保險絲、熱敏電阻和壓敏電阻構成過溫和過壓保護電路，由X電容、Y電容、共模電感組成的EMI濾波器構成了差模濾波和共模濾波電路，以抑制瞬時電壓尖峰、浪涌電流等電網干擾串入電源內，提高電磁兼容性能。利用RC串聯解決開關瞬時變化帶來的干擾。整流濾波部分采用不可控整流橋，通過平衡電阻并聯濾波電容確保電壓均衡。初級輔助供電采用電容降壓電路，限制最大負載電流，配合線性穩壓電路，簡化初級輔助供電。

為確保主電輸出大功率，功率變換電路采用半橋拓撲，如圖2所示。通過TL494芯片組成的控制電路實現對半橋電路的PWM（脈沖寬度調制）控制，利用穩壓管TL432、光耦合器取樣輸出端電壓給TL494芯片的反饋端，調整輸出側電壓，提高主電輸出準確度。半橋電路驅動采用IR2101芯片，消除功率MOSFET的共通現象。為了進一步提高電源可靠性，本電源還設計了過流保護、短路保護及過溫保護。過流和短路保護電路采用反時限的方式，當過流現象持續一段時間后，過流保護點逐漸下降，使電流呈現反時限特性。過溫保護選用溫度開關取樣散熱器溫升，溫度過高時降低輸出電壓，進而降低輸出功率，防止內部溫度進一步上升，提高功率電路的安全性。備電蓄電池組的充電電壓是通過變壓器的疊繞方式在輸出電壓之上疊加固定電壓，提高充電電源輸出的交叉調整性能。

1.3 備電電路

1.3.1 智能充電管理電路

智能充電管理系統是由單片機控制的“三段式”蓄電池充電方案，采用間隙周期性的充電方式，將每個充電周期分為三個階段，即短時快速均充充電—恒壓浮充充電—長時間微小電流放電。

電池充電管理電路如圖3所示，為防止蓄電池發生極化效應，提高電池壽命，采用脈沖式充電策略。由單片機產生充電信號C_SIG，頻率為1 Hz，脈沖占空比為75%。當C_SIG為高電平時，晶體管Q8截止，VCHG經過充電電路給電池充電，均充電流有效值為1.4～2.2 A，可確保蓄電池組在24 h充滿，此為快速均充充電模式。當電池電壓達到浮充電壓點27.1 V左右時，利用TL432的比較器特性，將信號反饋給充電電路，使其停止充電，轉入小電流浮充模式，平衡蓄電池組自然放電的電荷。

1.3.2 繼電器控制電路

繼電器控制電路是實現主備電無縫切換功能的電路，對初級交流輸入和輔助電源檢測，識別主電工作狀態，通過光耦隔離傳輸至次級側，控制繼電器切換，完成輸出端的不間斷供電。檢測電路采用遲滯方式，可有效提高信號檢測的準確性。

繼電器控制電路如圖4所示，電源主電和備電均正常工作時，光耦隔離OP2截止，OP3導通，檢測主電狀態信號PC4發送高電平，繼電器不動作，此時為主電正常工作狀態；而當主電發生異常時，光耦隔離OP2導通，OP3截止，檢測主電狀態信號PC4發送低電平，繼電器吸合，備電蓄電池組直接供電給輸出，從而實現了主備電無縫切換。

1.3.3 其他電路

自檢電路在電源前面板中設置專門的自檢按鍵，通過CPU控制硬件電路，實現對風機、顯示電路和蜂鳴器驅動電路的功能檢測。輸出檢測、備電檢測采樣輸出電壓和備電電壓，送給CPU的模擬信號檢測端口，實現輸出電壓和工作狀態的實時顯示和功能控制。風扇控制電路通過采樣變壓器溫度檢測的熱敏電阻的阻值，控制散熱風扇工作，實現功率電路強制風冷。蜂鳴器驅動電路根據CPU檢測到的電池過放故障，切斷放電回路時，并驅動蜂鳴器告警，音頻頻率為1 kHz，響應0.5 s，報警時間設計為2 h。顯示電路使用3位數碼管顯示輸出電壓，8個指示燈實時指示主電工作、備電工作、主電故障、備電工作、備電欠壓等多種工作狀態。單片機通過移位存儲寄存器提供送顯數據，實現1 ms/4 ms均勻顯示。

2 測試結果與分析

根據上述設計方案，進行了該電源的輸出電壓測試，圖5（a）是該電源在主備電無縫切換時輸出電壓變化曲線，其中A部分為主電正常工作時的輸出電壓，B部分為蓄電池組供電時的輸出電壓。圖5（b）是主電輸出電壓紋波、噪聲變化曲線。由圖5（a）可以看出，在主電工作時，輸出電壓為26.4 V左右；蓄電池組供電時，輸出電壓在24 V左右；圖5（b）中主電工作時輸出電壓紋波在6 mV左右，輸出電壓噪聲在94.37 mV左右，說明此電源輸出性能指標均滿足消防控制系統供電電源的要求。另外，本設計成本低廉，且具有智能化的顯示和充電管理系統，極大地滿足了智能化和小型化的要求。

參考文獻：

[1] 謝香志.中山商住樓供配電系統設計與分析[D].廣州：華南理工大學，2017.

[2] 郭晉男.消防電源故障自診斷系統研制[D].長春：長春工業大學， 2017.

[3] Texas Instruments.TL494 Pulse-Width-Modulation Control Circuits[EB/OL].[2017].http：//www.ti.com.

[4] International Rectifier.IR2101（S）/IR2102（S） &（PbF） HIGH AND LOW SIDE DRIVER[EB/OL].[2014].https：//www. infineon.com.