DC+48V直流电源设计

邵慧彬,宋占锋,孙志刚

(张家口职业技术学院，河北张家口 075051)

1引言

随着时代的进步、科技的发展，应用电子技术迎来了新的春天，无论是在工业还是家居领域中，数字化智能化产品不断崛起、不断面世，自动化产品使用越来越广泛。双母线智能监测直流供电电源广泛应用于高端电子仪器、教学试验和科学研究等领域。目前使用的可控直流电源大部分是点动的，采用分立元件，体积大、效率低、可靠性差，操作不方便，故障率高。随着电子技术的发展，各种电子、电器设备对电源性能要求提高，电源不断朝数字化，高效率，模块化和智能化发展[1-4,11,12]。我们以双母线直接接入供电为基础，设计新一代DC+48V直流电源来实现智能监测报警和负载分配。该直流电源电路简单、结构紧凑、性能优越，分别送给配电设备及蓄电池等单元，同时采集48V输出电压和蓄电池组的充放电电压及电流，提供电压、电流监测，并会同监控单元共同实现维护和管理功能。直流配电单元为后级设备提供直流电源，为用户的管理和维护提供电流、电压信号，也可根据用户需要提供各支路通断情况及声光告警指示。

2直流配电单元的设计依据

作为一个机电一体化的小型配电设备的结构设计，首先要满足其电气功能性要求，即中华人民共和国通信行业标准YD/T939-2005《传输设备用电源分配列柜》的电气性能要求，在此基础上满足使用性、经济性，安全可靠和外形美观要求。电气设计主要包括导电性能设计、绝缘性能设计、抗电强度设计，相关零件包括导电体、绝缘件等。

3直流配电单元组成及原理

3.1 功能

直流配电单元主要有蓄电池管理、输出智能接口和电池组电流检测功能，其组成如图1所示：

3个整流模块为直流配电提供+54V的直流电压，直流配电单元为电池加热器和系统接口单元及DME/P提供双直流母线并联供电，为A路负载1、直流供电A，B路负载1和直流供电B进行单母线供电。A路负载1和B路负载1功能相同，直流供电A和直流供电B功能相同，互为冗余备份，具体工作原理与系统的直流配电单元基本相同。

3.2 直流配电单元组成及控制原理

3.2.1 输入输出接口

图1：直流配电单元原理图

电源输入接口：3个整流模块的供电电压通过电源输入接口进入直流配电单元。

电源输出接口：直流配电单元的输出电压通过电源输出接口输送给电池加热器、系统接口单元、A路负载1、B路负载1、A路负载2和B路负载2。

信息接口：3个整流模块的电压、2个蓄电池的电压和充放电电流通过信息接口传递给监控单元，同时接收监控单元传出的控制信号，实现电池组充放电控制、辅助加热控制、电池组放电检测功能。[4,5，8,9]

3.2.2 面板开关

主开关：用来控制电子开关A1和A2的通断：当其打开时输出负载通电，关闭时所有负载断电；

复位开关：在没有市电的情况下，当需要由蓄电池启动并供电时，打开主开关和复位开关即可提供蓄电池供电功能。

3.2.3 隔离二极管V1—V8

对相关电路起到去耦隔离作用，避免相互干扰。

3.2.4 电子开关A1～A7

其中Al、A2控制直流配电单元供电的通断，A3控制电池加热器的供电，A4-A7控制蓄电池的充电及放电。

3.2.5 分流器1和分流器2

用来采集蓄电池的充放电电流。

3.2.6 控制电源

控制电源电路的原理框图如图2所示：

电池电压、电池温度、充放电电流的模拟量通过CD4051转换开关传送到单片机的AD采集端口。控制芯片选用高速单片机C8051F020，单片机通过判断电池电压、电池温度、充放电电流、3个整流模块的电压输出相应的开关量；控制板设计两路RS422通讯，一路用于电路的扩展通讯，另一路用于系统信息向计算机的传送。

由高速单片机作为中央处理单元，用来控制各个电子开关的通断。采用12位AD转换器采集系统所需要的各种模拟量，其中包括3个整流模块的电压、2组蓄电池的电压及蓄电池的充放电电流、电池电压并通过RS422数字接口将信息传送给监控单元。通过温度传感器监测蓄电池的温度，当温度过低时，启动电池加热器使蓄电池工作在合理的温度范围内。[3,5，6,9,10]

图2：控制原理框图

3.2.7 直流母线防雷器

直流配电单元输出部分应加装标称工作电压不小于70V、标称放电电流不小于15kA的限压型SPD，用于直流输出防雷。

4直流配电单元主要技术指标

4.1 输出接口的工作电压和工作电流

负载A路负载1直流供电AB路负载1直流供电B电池加热器SI工作电压+54V+54V+54V+54V+54V+54V工作电流8A3A8A3A1A1．5A

其中A路负载1和B路负载1，直流供电A和直流供电B互为热备份，即正常时A路发射机和A路直流供电单元工作，另一个发射机和另一个直流供电单元处于热备份状态中。

4.2 主要电气指标

系统的输入和输出电压降≤3V(满载)；

系统工作温度：-10℃～+55℃；

各带电回路与机壳之间的绝缘电阻不应小于10MΩ；

直流配电单元中各带电回路之间及带电零部件或接地零部件之间的爬电距和电气间隙应符合GB/4T4943-200l的规定，即爬电距离≥3mm，电气间隙≥2mm；

直流配电单元的接口可向监控单元发送三路输入电压和两组蓄电池充放电电压和电流数据，接受监控单元的控制，实现相应电子开关的通断，完成电池组充放电控制、辅助加热控制、电池放电检测功能。其通信接口和通信协议应符合YDN023的有关规定：平均无故障间隔时间(MTBF)应不小于100000h。

5直流配电单元主要技术优点

(1)增加了对3个整流模块的监控精度，可以通过监控单元调节3个整流模块的输出电压和恒流特性；

(2)在2个蓄电池回路增加了分流器，用以监视充电和放电电流；

(3)取消用于测试蓄电池的放电电阻及相应的电子开关，降低了系统成本，改用系统软件实现电池容量测试；

(4)采用数字信号传输，提高了信号的传输精度；

(5)增加直流输出母线防雷设计，提高了抗雷能力。

6结论

本文中，我们设计实现了DC+48V直流双母线直接接入智能控制监测电源，此电源负责直流负载接入、蓄电池组接入和负载分配，将来自整流模块的DC+48V输入电压经过直流配电构成直流双母线系统，分别送给配电设备及蓄电池等单元，同时采集48V输出电压和蓄电池组的充放电电压及电流，提供电压、电流监测，并会同监控单元共同实现维护和管理功能。直流配电单元不仅为后级设备提供直流电源，也为用户的管理和维护提供电流、电压信号，也可根据用户需要提供各支路通断情况及声光告警指示。本设计的创新点在于：(1)增加单个整流模块的监控精度，通过监控单元调节整流模块的输出电压和恒流特性；(2)增加蓄电池组回路分流器，来监视充电和放电电流；(3)取消用于测试蓄电池的放电电阻及相应的电子开关，降低了系统成本，改用系统软件实现电池容量测试；(4)采用数字信号传输，提高了信号的传输精度。电路设计简单、结构紧凑，成本降低，性能卓越，较好实现了简单、科学、实用、经济以及更具人性化的设计目标，具有很好的市场价值和广阔的应用前景。

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