开关电源接口电路及故障监控系统的研究

葛维军

(南通职业大学技师学院，江苏南通226007)

开关电源接口电路及故障监控系统的研究

葛维军

(南通职业大学技师学院，江苏南通226007)

随着工业和电力电子技术的发展，开关电源越来越多地出现在了工业生产、工作生活等各个方面，其工作的稳定性以及工作效率的高低直接影响到开关的性能和使用领域。首先介绍了常用的开关电源监控接口电路工作原理，设计了一种基于无线射频传输的监控接口电路。实验结果表明，基于此类接口电路的开关电源故障监控系统工作稳定，实时性强，具有一定的借鉴意义。

开关电源；故障监控；无线传输；接口电路

随着现代工业的不断进步，电力电子技术也得到了长足的发展，各种用电设备成为生产生活中不可或缺的角色。而这些电力电子设备的运行，无一例外地会应用到电源系统。其中，高频开关电源成为了电源系统的重要组成部分。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。它主要具有体积小、质量轻、功耗低、效率高、稳压精度高、不使用电源变压器等基本特点，是常规线性开关的良好替代品，已广泛应用于各种电子设备中[1]。

开关电源的应用提高了电源的使用效率。但是，它工作的稳定性又直接影响着用电设备的可靠性和安全性，所以，实时地对开关电源进行有效监控就显得尤为重要。

开关电源监控系统的主要功能是通过电源与计算机的通信模块完成与监控中心的信息交换，这些信息中包含着电源系统的各种运行状态信息，以便监控中心利用这些信息对开关电源的运行状态进行有效地分析；同时还能够接收来自监控中心的各种监测与遥控命令，使开关电源在这些命令的指导下执行各种命令，例如开、关机和均、浮充等。

在整个开关电源监控系统中，开关电源与计算机通信模块间的数据交换是设计的重点。目前，大多数的开关电源都是利用RS323接口来构建一条数据通道来进行开关电源与监控单元之间的数据通信，这种通信方式布线复杂、不利于维护。因此，本文提出了一种利用无线传输方式构建上下位机数据通信的方式来解决这一问题。

1 监控系统整体结构设计

以无线方式构建开关电源监控系统，最大的优势在于省去了布线的繁琐，减少了维护的工作量。它是利用分布在终端节点上传感器，来采集开关电源系统的各种状态参数，主要有输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、温度等信息，将这些信息利用无线射频的方式输出至汇聚节点，汇聚节点通过网关与上位机相连，上位机中设置监控程序，可以设置相应的状态值，来衡量采集数据的合法性，从而判定开关电源的运行状态(正常、过流、过压、过热)。同时以此状态来决定系统的工作方式 (运行/停止)。具体结构如图1所示。

图1 监控系统整体结构

如图1所示，整个开关电源的监控系统由三个部分组成，分别为底层数据采集控制及短距离无线通信层、通信层、服务器及客户端层，具体解释为：

(1)底层数据采集控制及短距离无线通信层：底层数据采集层选用ZigBee技术来完成，每个开关电源都装有基于Zig-Bee的终端节点，终端节点上带有传感器及相应的执行机构，一方面可以采集开关电源上的电流、电压、温度等信息，并将这些信息通过无线射频的方式发送至底层通信网的协调器模块；另一方面接收来自于协调器发出的ZigBee信号，并根据信号进行执行机构的操作控制。

整个底层数据采集与控制层采用无线传感网技术，以Zig-Bee技术作为基础网的构建核心，每个单体处理器采用CC2533，整个网采用簇状-树型结构，具体结构方式如图2所示。在整个结构中，处于网络终端的为终端节点，通过CC2533的引脚连接各种传感器和执行机构；处于中间的为路由节点，负责数据的转发；最后的为协调器节点，是整个网络的数据转发中心，各种采集数据由协调器通过网关上传至监控中心，监控中心的操作命令也由协调器发送至各终端节点的执行机构。

图2 ZigBee簇-树状网络拓扑结构

整个网络采用Z-stack协议栈。

(2)通信层：该层由嵌入式网关构成。为了保证系统的运行效率，一般采用嵌入式ARM芯片来完成，它承担的主要作用是数据协议栈的转换和数据的转发，与协调器采用串口进行通信。在本设计中，网关由飞凌嵌入式ARM11-S3C6410开发板来担任。核心板主频选533 MHz，具有128 M字节DDR内存，256 M Byte Nand Flash，并且支持8Bit硬件纠错算法，存储安全可靠，它的扩展模块还包括了3G、GPS、GPRS、WIFI、摄像头、CAN/485总线、VGA/TV等数十种[2]，可以有效地担当起网关的作用。

远程通信的方式可以采用3G方式，也可以利用485总线以以太网的方式进行通信，依据具体工作场合所定。

(3)控制中心：控制中心由服务器来担当，服务器中创建相应数据库及监控程序，利用监控程序来分析存放在数据库中的监控数据，并依据所设定的算法进行设备的开启、关闭等控制操作。

2 监控系统硬件接口电路设计

在本设计中，开关电源与监控系统的接口部分主要由ZigBee节点来担任，所以接口电路的设计就主要集中在电源供给接口电路、USB转串口接口电路、调试接口和其它的一些传感器或受控模块的接口的设计上。因为篇幅所限，本文只列出电源供给接口和USB转串口接口电路的设计。

2.1 电源供给接口电路设计

电源实现的功能主要为核心板等提供稳定的3.3 V电压，同时为一些需要电压相对较大的传感器模块等提供5 V电压或者3 V电压。另外在该模块中还包括了重启功能。电源模块的原理图如图3所示。

图3 电源模块接口电路设计

在供电方式上支持USB供电、调试接口供电和4节干电池供电，只要将电源接入相应的引出的接口即可相对比较灵活。该模块中起核心作用的是REG1117-3.3稳压芯片，其主要功能是将输入的电压(5 V左右)转成稳定的3.3 V电压，输出电流为800 mA，周围的电容主要起去耦作用。

2.2 USB转串口模块设计

USB转串口即实现计算机USB接口到通用串口之间的转换，为没有串口的计算机提供快速的通道，而且，使用USB转串口设备等于将传统的串口设备变成了即插即用的USB设备。在本系统中，因为有时候上位机装在没有串口的设备上，例如笔记本电脑上，这样就需要使用笔记本的USB口来完成通信功能。在实际的应用中经常使用USB转串口线或者USB芯片来完成，但是由于USB转串口线相对不是很稳定而且还需要专门配线，所以本系统将USB转串口功能集成到地板上，这样只要在控制端上有对应的USB转串口芯片的驱动就可以实现串口通信的功能。该模块的原理图如图4所示。

图4 USB转串口原理图

该电路中的采用的USB转串口芯片是常用的CH340G，封装方式为SOIC16，计算机端Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容，无需修改。而且硬件为全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率50 bps～2 Mbps，完全支持ZigBee使用的波特率。

[1]刘明明.高频开关电源及应用设计教程[M].北京：北京希望电子工业出版社，2002.

[2]王韦伟.基于ZigBee的智能家居无线数据传输系统的设计与实现[J].宿州学院学报，2014,29(7):80-83.

Research of switch power supply's interface circuit and fault monitoring and control system

With the development of the industry and power electronic technology,switching power supply were turning up in many aspects,such as industrial production,work and life.The performance of the switch and using areas were directly influenced by its work stability and the working efficiency.The commonly used switch power supply monitor interface circuit working principle was introduced.A kind of monitoring based on wireless rf transmission interface circuit was designed.The experimental results show that the switching power supply fault monitoring system based on this kind of interface circuit work is stable,strong real-time performance,and has a certain reference significance.

switching power supply;fault monitoring;wireless transmission;interface circuit

TM 712

A

1002-087 X(2015)10-2232-02

2015-07-01

葛维军(1963—)，男，江苏省人，本科，高级实习指导教师，主要研究方向为电子技术、电子元件、自动化设备应用。