通信设备中开关电源实时测量、显示与保护设计

孙玉轩

（海口经济学院　网络学院， 海口　571127）

通信电源是整个通信系统的能量提供源，稳定可靠、高效的电源供电系统，是保证通信系统安全、可靠运行的关键。

目前，通信用高频开关电源系统全面取代了原有线性电源系统，[1]其技术和市场得到了高速发展。再加上移动通信的迅速增长，使通信电源的研究更为重要，因此，其成为各类开关电源最为活跃的品种之一。本文主要介绍如何在通信设备开关电源中设计实时重要参数（包括电压、电流、功率因数等）的测量和显示。在此基础上设计了过流保护电路，一方面使设备智能化程度提高，另一方面由于开关电源自身具有自我保护、恢复功能，也使电源本身的安全可靠性大幅度提升。

一、测量、保护与显示电路设计

（一）总体方案设计

根据系统设计要求，输入交流电压Us=24 V，输出直流电压Uo=36 V，输出电流额定值Io=2A，主电路采用Boost升压电路，功率因数校正控制部分采用UCC28019PFC芯片。主体部分：输入交流电压先经过EMI网络和整流桥，得到直流电压；再通过Boost升压电路，得到36 V的直流输出电压，而通过有源功率因数校正器，可以使功率因数得到校正，输出稳定的电压。[2]外围部分：电流互感器和电压互感器对输入电压电流采样，再放大比较，输入到单片机；霍尔和电阻采样网络分别采集输出的电压和电流，再通过A/D转换电流，实现输出电压和电流的检测和显示。当其输出电流超过2.5 A时，单片机发出指令电平，通过继电器断开主电路，实现过流保护。当电路重启后，输出电流小于2.5 A时，电路恢复正常工作状态。

（二）功率因数测量电路

常用的功率因数测量有两种。一种是直接计算出功率、电压和电流的有效值,然后利用相应公式计算出功率因数。还有一种则是利用电压、电流互感器分别对电压、电流信号进行提取，经过比较器整形后，通过相位差测量出电流和电压的相位差，再通过余弦运算得到功率因数。[3]鉴于设计要求和本电路的特点，为了计算方便，本设计采用相位差测量法。如图1所示。

在输入端采用高精度的电流互感器和电压互感器分别对输入电流和电压进行取样，再把得到的两个具有相位差的方波送入到单片机，通过单片机检测两个方波信号的上升沿的时间差，从而得到输入电流和电压的相位差，再通过数据处理，最终得到功率因数的测量值并显示在LCD显示器上。

（三）输出电流、电压检测电路

输出测量电路能够在一定的精度范围内检测输出电压和电流值，常用电压互感器和电流互感器进行检测。通过电磁感应输出交流低电压，再通过运算放大器对得到的电压和电流进行放大，使其达到能够检测的范围，再通过A/D转换，显示出来。本设计为了达到要求的精度，使用精密霍尔传感器HS-20A-P对输出电流进行采样，而输出电压则直接用电阻分压网络进行采样取得。电阻与负载并联，加在所有取样电阻上的电压与输出电压相同，再利用合适的电阻比进行分压，这样既可保证电子元器件的安全，又可以准确测量出输出电压的大小，且对整个系统的转换效率的影响几乎可以忽略不计。如图2所示。

图1　功率因数测量电路

图2　输出电流、电压检测电路

（四）过流保护电路

根据系统设计要求设计过流保护电路：当输出电流为2.5 A时，电路自动断开保护。继电器相当于一个可控的单刀双掷开关，当输入的物理量达到规定值时，电器输出电路被接通或断开，从而达到控制的目的。如图3所示。

图3　过流保护电路

（五）单片机显示电路

单片机显示部分主要由STC89C52、复位电路、晶振电路、A/D转换电路和1602液晶显示器组成。晶振电路用于单片机的起振；复位电路则完成系统的复位；A/D转换电路用于测量输出直流电压和电流；而显示部分对单片机检测到的电压电流进行显示。[4]

STC89C52是一个低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机数据存取存储器（RAM）。该器件兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，32个双向I/O口，1个串行中断，2个外部中断，2个读写中断，适应于本系统设计的要求。16脚接口带背光的LCD1602，内部的控制器共有11条控制指令，可显示16*2字。如图4所示。

图4　单片机显示电路

二、结束语

通信电源模块在整个通信行业中所占的比例虽然比较小，但它是决定通信质量好坏的关键因素之一，也是通信网络上一个完整而又不可替代的独立产品。由于该系统具有准确实时的内部参数自测量和显示，特别是在此基础上具有快速自我保护和恢复功能，极大地提高了开关电源的智能化功能和安全性。本系统实现后在2013年全国大学生电子设计竞赛中获得了本科组国家级二等奖。

参考文献：

［1］沙占友.开关电源实用技术500问[M].北京：中国电力出版社，2012.

［2］任凌，李思杨，王志强.有源功率因数校正技术综述[J].通信电源技术，2005（4）：23-25.

［3］魏旭光，陈建锋.高功率因素开关电源的研究[J].通信电源技术，2009（4）：28-30.

［4］毛谦敏.单片机原理及应用系统设计[M].北京：国防工业出版社，2006.