基于自适应储能模式的高效率电子围栏的设计

金永镐，王龙腾

(延边大学 工学院，吉林 延吉133000)

为了实现人类正常生产与保护野生动物的双重目标，人们采用电围栏恐吓和威慑等方法驱赶动物，这样既不伤害动物生命、不违反野生动物保护的相关法律，又能保护庄稼不受毁坏[1]。电子围栏主要由周界围栏、高压脉冲发生器构成[2]，为了不伤害触及电子围栏的动物，通常高压脉冲发生器产生脉冲幅度为3 kV～12 kV、作用时间小于0.1 s(释放的能量应小于5 J)的高压脉冲，并在围栏上传播[3]。

传统的电子围栏存在两个缺点：一是在升压电路上采用大容量电容充电后，通过大体积铁芯变压器升压放电，因此对大电容和开关管的电流冲击很大，从而缩短器件的使用寿命；二是在放电模式上不管有无动物入侵总是定时放电，浪费了能量，降低了效率。

针对以上缺点，提出了一种基于自适应储能模式的高效率、低功耗电子围栏的设计，这种电子围栏改变了传统电子围栏工作时定放电的方法，采用高压电容储能的方式，根据电围栏的状态自动产生不同的高压，从而达到了高效、节能的目的。

控制部分采用微功耗、高性价比的MK7A23P单片机，可设置脉冲宽度和脉冲周期，且待机功耗很小。

1 传统电围栏的工作方式

传统的电子围栏升压工作原理如图1所示，工作模式如图2所示。通常在低压大电容上充电300 V左右的电压后，控制可控硅在工频变压器的初级线圈上释放，从而在次级线圈上获得高压脉冲。

图1 传统的电子围栏升压电路

图2 传统的电子围栏工作模式

这种电路易于实现，但缺点是由于采用铁芯变压器，工作频率不超过1 kHz，在升压比值较大时，变压器的体积一般很大，同时每次放电时对储能电容和可控硅的冲击较大[4]，容易损坏器件，而且不论是否有动物触及都将定时放电产生高压脉冲，系统工作效率低。

电容充电后其储存的能量由式(1)决定,所以储存的5 J能量在0.5 s间隔内以0.1 s持续时间放电时，瞬间功率为50 W，平均损耗功率为10 W。

可见，不管是否有动物入侵，总是损耗10 W功率，浪费了能量，降低了效率。

2 储能模式电围栏的工作方式

2.1 储能模式电围栏的工作原理

储能模式电围栏整体框图如图3所示。

图3 储能模式电围栏整体框图

电围栏主要由反激式变换器、高压储能电容、高压干簧管、过流检测、高压检测等部分组成。图4为电围栏工作模式图，为了减少平时的待机功耗，高压平时保持在4 kV～4.5 kV，当动物触及电围栏时，高压迅速上升到7 kV以达到最大的电击效果。

图4 电围栏工作模式图

变换器开始工作时，储能电容的电压为0 V，此时变换器满载工作则高压整流二极管承受的电流过大，因此变换器轻载工作，充电到4.5 kV后接通高压干簧管检测围栏状态。当无动物入侵时高压保持在4 kV以上(图4中围栏检测中脉冲序列1、2状态，此时高压电容通过高压平衡电阻放电，放电速度较慢)；当有动物入侵时高压迅速降低到2 kV以下，此时变换器先满载工作，迅速充电到7 kV，然后转入轻载工作保持7 kV电压(脉冲序列3、4状态)；动物离开后高压通过平衡电阻放电，一旦电压下降到4 kV以下，则补充充电到4.5 kV以便检测围栏状态(脉冲序列 5、6、7状态)。

2.2 高压升压电路工作原理

高压升压电路工作原理如图5所示。为了简化电路，采用固定频率为60 kHz的PWM电流型控制的开关电源专用芯片NCP1200，该芯片的工作电压为16～450 V，具有过载、短路以及过热关断保护功能，利用CS端检测电流，输入范围是0～1 V，当电流采样电阻R2两端的电压超过1 V时，芯片停止工作。控制FB端的输入电压，可控制每个周期中装入变压器初级中的能量，输入范围是 0～5 V。

图5 高压升压电路图

反激式变换器工作时，每个周期装入电感的能量为WL，当释放给高压储能电容CH时(3个高压储能电容C4～C6的串联值)，由于 CH起始电压为 0 V，而电压越低电流越大，因此通过高压整流二极管D1的电流很大。本文采用高压二极管的型号为2CL2G，该二极管反向峰值电压为10 kV，正向导通压降为 12 V，正向最大电流为100 mA。

每个周期CH获得的能量为：

CH两端电流与电压关系由式(3)决定：

由式(2)和式(3)可得出流过CH的电流：

CH两端电压与时间的关系由式(2)和式(3)可得出：

式中k为积分常数。

图6为高压二极管电流随充电电压变化的曲线图。由图可知2 kV以内电流很大，因此为了减少电流，2 kV电压以内使用较少的能量来充电(轻载工作i=0.5 A)，大于2 kV时用较大的能量来充电(满载工作 i=3 A)，以提高充电速度。

图6 高压二极管电流随CH电压变化曲线图

图7为变换器能量调节模式图，单片机输出的PWM波形输入到 PA2，经R1、C1滤波后提供 1 V～5 V的控制电压，从而实现能量控制。

图7 变换器能量调节模式

为了减小过大的变压器变比(过大的变比增加寄生电容使开关波形变坏，降低效率)，提高了反激电压约为400 V，此时变比仅为1:20，次级上能得到最大为8 kV的高压。图8所示为开关管通断时反激电压波形图。

图8 开关管通断时反激电压波形图

变换器以轻载工作给CH充电到2 kV所需的时间为t1，由式(6)可得式(7)。

式(7)中，当取 f=100 kHz、U1=2 kV、CH=0.23 μF、L=60 μH、i=0.5 A 时，t1=0.61 s。

变换器以满载工作给CH从2 kV充电到7 kV所需的时间为 t2，由式(6)可得式(8)。

式(8)中，当取 f=100 kHz、U2=7 kV、U1=2 kV、CH=0.23 μF、L=60 μH、i=3 A 时，t2=0.19 s。

光学容积描记法具有成本低、功耗低、体积小、无需袖带充气和可连续测量等优点，适用于可穿戴设备。该方法大多采用光电传感器采集人体生理信号，由光电传感器在人体表面检测出的脉搏信号称为光电容积脉搏波，简称PPG信号。其工作原理为：发光二级管发射一束特定波长的光，并在人体表面照射。血液中的细胞能对光进行吸收，并随着心脏搏动引起反射光强度的变化。光敏传感器对反射光进行收集，并对反射光中的交流成分进行描记，得到PPG信号[8]。

2.3 高压检测电路工作原理

电子围栏高压检测电路中，为了减少功耗，通常采用高阻值的电阻和低阻值的电阻分压后，利用光电隔离方式组成检测器[5]，电路如图9所示。

图9 传统电围栏高压检测电路

这种方法的缺点是：采用了一级分压电路，从7 kV上得到5 V的采样电压，分压比为7 000:5，不宜精确控制。同时RH采用几十到几百兆欧的高阻很容易受环境湿度等因素的影响，且RO通常采用几十千欧的低阻，受环境影响很小，因此分压比容易改变，导致较大的控制误差。根据分压关系有：

由式(9)可知，电压与阻值变化量x有关。图10为高压脉冲电压值随电阻值改变的变化曲线。

图10 电压值随电阻改变时的变化曲线

为了克服上述缺点，本文采用两级分压方式，如图11所示。

图11 高压升压检测电路

第一级分压中RH1～RH9采用6.8 MΩ的标称电阻，分压比由式(10)决定。

由式(10)可知，电压与阻值变化量无关，克服了环境湿度等因素变化带来的影响。

由式(10)可得一级分压比为 K1=19，由图11可知二级分压比为K2=20，所以总的分压比为：

由式(11)可得A点、B点、C点电压分别为 18 V、11 V、5 V。同时为了减少24 V检测电阻上的损耗，比较器的分压电阻R8～R12分别取如图11所示的阻值，此时功耗为0.01 W。

由于电围栏大部分时间都处于待机状态，待机时高压为4 kV，所以一级分压的待机功耗为0.37 W，二级分压的待机功耗为0.11 W，所以总的待机功耗为0.49 W。

2.4 过流保护电路工作原理

图12为过流保护电路工作波形。正常工作时R2两端的电压小于1 V，当发生过流时R2两端的电压大于1 V，比较器U2D的输出为高电平，单片机控制PA2输出为0，从而NCP1200停止输出脉冲。

图12 过流保护波形

2.5 高压脉冲控制电路

图13为产生高压脉冲的控制电路。为了实现对高压脉冲可靠的控制，采用型号为HVR24-1A10-06的继电器K1，该继电器工作电压为24 V，最大开关电流为3 A。

图13 高压脉冲产生及控制电路

采用高压电容储能的方法，自动识别电子围栏的状态，改变了传统电子围栏工作时定时放电的方法，减少了能量的浪费，传统电子围栏的待机功耗为10 W，而本设计的待机功耗仅为0.49 W，大大提高了系统的效率。同时本文采用分压比相对较小的两级分压方法，降低了待机功耗，提高了高压检测的精度。

[1]GIOVANNI M.An electric fence energizer design method[J].IEEE International Symposium on Industrial Electronics.2006，42(8)：727-732.

[2]花俊国，周永亮，刘党标，等.高压牧用电围栏的开发及应用.中国奶牛[J]，2005，32(4)：56-57.

[3]ANDERSON K.The effect of high-tensile electric fence designs on big-game and live-stock movements[J].Wildlife Society Bulletin，2006，34(9)：2-9.

[4]金永镐，姜欣欣.自适应同步斩波式小功率开关电源的设计[J].电子技术应用，2008，34(10)：75-77.

[5]郑斌.电子围栏脉冲主机及其高压检测电路：中国，201020275868.X[P].[2011-9-21].