基于单片机的电源检测子板在某电源模块中的应用和分析

华雷 许涛 王旭升

摘  要：随着电子信息技术和通信技术的快速发展，电子信息设备对电源模块的要求越来越高，电源模块的可靠性、安全性和可维护性也越来越受到人们的关注。相应地，工程师们也愈发重视电源检测在电源模块中的应用。文章阐述了电源检测子板的主要组成及各部分的具体设计思路，概述了电源模块的系统组成及工作原理。

关键词：电源检测;单片机;电源模块

中图分类号：TP368     文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）05-0046-04

Application and Analysis of Power Detection Sub Board Based on Single-chip Microcomputer in a Power Module

HUA Lei， XU Tao， WANG Xusheng

（Sichuan Jiuzhou Aerocont Technologies Co.， Ltd.， Mianyang  621000， China）

Abstract： With the rapid development of electronic information technology and communication technology， the requirements of electronic information equipment for power module are getting higher and higher， and the reliability， security and maintainability of power module are getting more and more attention. Accordingly， engineers are paying more and more attention to the application of power detection in power module. This paper expounds the main components of the power detection sub board and the specific design ideas of each part， and summarizes the system composition and working principle of the power module.

Keywords： power detection; single-chip microcomputer; power module

0  引  言

传统电源模块的内部检测一般是通过硬件电路设计，将每路的輸出电压通过电阻分压或模数转换的方式传送至检测端口，然后用万用表手动测量，得到电源模块的输出电压信息。采用该测量方式无法获取足够的电源参数（仅限电源模块的输出电压值），而且不直观明了。而本文中的电源检测子板则是采用单片机与其他检测芯片相结合的方式，通过与上位机的串口通信/网络通信，实现对电源模块电压、电流、温度和工作时间等多个参数的实时检测;同时，上位机还可以根据工作需要对电源模块中各路的输出电压进行通断控制，实现遥控开关。

本文中的电源检测子板安装在电源模块内部，通过连接器与电源模块连接，通过螺钉螺柱得以加固处理。电源检测子板便于插拔和移植。该电源模块通过前端EMC滤波、PFC校正、整流及DC/DC转换等电路给该电子系统供电，篇幅所限，本文主要阐述电源检测子板和电源模块的组成和原理。

1  电源检测子板

1.1  概述

电源检测子板以嵌入的方式安装在电源模块内部，通过与电源模块内部各采样点的硬件电路连接以及经过电源检测子板内单片机软件的编译，完成对电源模块各路输出电压、电流、温度和工作时间等多个参数的检测并以一定的周期上报上位机。同时，上位机还可以实现遥控开关功能。

1.2  组成

电源检测子板主要由单片机、AD数字采样、数字温度传感器、232电平转换、485电平转换和网络模块等组成，如图1所示。电源检测子板核心器件为STC系列单片机，通过与外围其他数字芯片的连接和通信，完成对电源模块检测的功能。

图1  电源检测子板的组成

1.3  设计思路

1.3.1  STC单片机的设计

STC单片机为电源检测子板的核心处理芯片，选用STC15W4K32S4系列的单片机，STC15W4K32S4系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T），是宽电压/高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，采用STC第九代加密技术，无法解密，指令代码完全兼容传统8051，速度上提高8～12倍。该系列单片机的工作电压宽（+2.5 V～+5.5 V），可兼容+3.3 V和+5 V的电平，可内部ISP编程5 M～30 MHz时钟（可彻底省掉外部晶振和复位电路），拥有4组独立的高速异步串行通信串口;除Vcc和Gnd引脚外，该系列单片机的其余端口均可配置为标准I/O口[1]。

本文的电源检测子板中，所选用STC单片机的P2和P3端口与AD数字采样芯片相连接，完成电源模块电压电流的模数转换;串口1可通过RS232转换器进行ISP下载编程，便于系统的调试;串口2可通过485差分电路与上位机通信，周期上报电源模块内部的电压、电流和温度等信息，并在系统的操作界面上显示上报信息;串口3通过网络模块与远端操控界面相连接，可实现对电源模块的远程控制[2]。

1.3.2  AD数字采样的设计

AD数字采样芯片采用ADI公司的AD7891AS-1芯片，该芯片是一款8通道12位高速转换的AD转换芯片，可以对±10 V范围内的模拟值进行采样，功耗低，转换速度快。

在该电源检测子板中，主要是对电源模块内部的电压和电流进行采样，将模拟值转换为数字信号，然后通过与单片机的通信以及数字信号处理完成对电压电流的数字采样。

1.3.3  网络模块的设计

网络模块采用MOXA公司的MIINEPORTE2-T，该组件可以实现串口通信和网络通信的转换功能，支持+3.3 V和+5 V两种供电方式，该组件的默认IP为192.168.127.254，通信格式可在线配置。

在该电源检测子板中，网络模块通过与STC单片机的连接和通信，实现网络通信和串口通信的转换，STC单片机通过接收远程控制界面的网络命令，并对命令进行解析和处理，实现对电源模块工作状态的控制。

1.3.4  其他部分的設计

电源检测子板中还包含数字温度传感器、232电平转换和485电平转换等部分。数字温度传感器选用AD7416ARM芯片，通过IIC与单片机通信，温度传感器内置于电源模块内部发热量较大的区域，以便工作时实时反映电源模块内部的温度情况[3]。232电平转换和485电平转换选用Maxim公司的转换芯片，一路用于单片机的ISP编程，一路用于与系统处理模块的通信。

2  电源模块

2.1  概述

电源模块主要完成对电子设备系统的供电。各路输出电压回路具有完善的过压、过流和短路保护功能，可实现高压供电部分和低压供电部分上电时序控制;具备网络通信接口，可实现模块开关远程控制;可将电源模块设置为本地工作状态或远程遥控工作状态;电源模块可以实时监测各组电压对应的电压值和电流值，并将采样数据上传。

2.2  组成

电源模块[4]主要由输入滤波整流单元、电源转换单元、电源检测单元和输出滤波单元等组成。组成框图如图2所示，具体功能框图如图3所示。

图2  电源模块的组成框图

图3  电源模块的功能框图

电源模块通过面板硬开关控制实现本地控制，交流电经过EMI滤波电路和PFC校正电路后，经过各级DC/DC电压转换和滤波得到各路输出电压。电源检测子板由辅助电源供电，对电源模块内部的电压、电流和温度等自检信息进行内部数字处理，并与系统处理模块通信，同时可以接收远程操作界面的控制指令，完成对电源模块的远程控制。

电源模块器件布局及走线遵循5个基本原则：

（1）器件布局高压与低压分离。（2）电源模块原边与副边隔离。（3）大功率DC/DC转换器输出尽可能靠近输出端。（4）电源走线宽度在允许的条件下尽可能宽。（5）电源印制板铜箔采用2oZ厚度，以降低走线压降及发热损耗。

2.3  设计思路

2.3.1  输入EMI滤波电路

为了抑制电源输入端传导和辐射干扰，输入端加入EMI滤波电路，其内部电路原理图如图4所示，为满足产品的辐射干扰标准，通过对共模滤波电感、X和Y电容的设计，将高频传导噪声抑制在机壳内。

输入交流EMI滤波器采用三级EMI滤波电路结构，共模滤波电感配合差模滤波电容，可满足实际使用过程中电磁兼容的需求，在保证设备正常功能的前提下具有良好的电磁兼容特性。

图4  输入EMI滤波电路

2.3.2  输入防雷电路

交流输入防雷电路如图5所示，主要防雷电路由压敏电阻MOV1～MOV3和放电管G1构成，可在交流电源输入端收到感应雷击时起到过压保护功能。

图5  交流输入防雷电路

2.3.3  交流输入变换电路

外部电源输入为220V AC时，考虑到大功率电源工作带来的空间电磁干扰、传导辐射干扰和功率损耗等相关问题，在电源最前端加入单级PFC（功率因数校正）校正电路，大大提高电源模块的转换效率，降低发热损耗，电源输入功率因数可达到0.95以上，极大地消除了电源输入端各次谐波含量，降低了空间电磁辐射干扰。该电路内部工作原理框图如图6所示[5]。

图6  PFC电路内部原理框图

加入PFC功率校正电路工作前后的输入电流波形如图7、图8和图9所示。图7和图8为电源模块带阻容负载和阻感负载情况下的输入电流波形，可以看到电流波形畸变严重，谐波含量大，会对系统带来大量谐波干扰及空间电磁辐射。图9为加入PFC校正电路后输入电流波形图，无论负载端为哪种负载特性，畸变的输入电流均能被校正为正弦波，极大地降低了系统谐波含量和电磁干扰，同时提高输入功率因数，降低了线路传输损耗，增加了传输效率。

图7  阻容负载输入电流波形

图8  阻感负载输入电流波形

图9  校正后输入电流波形

2.3.4  DC/DC转换电路

DC/DC转换采用反激式+同步整流拓扑结构[6]，通过功率变压器的耦合和隔离作用在二次侧得到准方波电压，然后经整流和滤波输出得到所需的电压，该电压再经电压反馈电路，调节占空比以达到输出电压恒定的目的。输入端具有欠压、过压保护电路，输出端具有过压、过流、短路保护电路，DC/DC转换电路框图如图10所示。

图10  DC/DC转换电路框图

3  结  论

本文中的电源检测子板通过嵌入安装的方式，可以完成对电源模块电压、电流、温度和工作时间等参数的检测，实现对电源模块的实时检测功能，大大降低了故障定位的时间，并且已在本文的电源模块中得到充分的验证。因此，根据本文的分析和论述，基于单片机的电源检测子板可以广泛应用于各种电子信息设备的电源模块中。

参考文献：

[1] 杨文龙.单片机原理及应用 [M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.

[2] 万福君，潘松峰.单片微机原理系统设计 [M].合肥：中国科学技术大学出版社，2005.

[3] 邵翔宇，胡国欣.单片机在智能控制系统设计中的应用 [J].电子世界，2021（23）：141-143.

[4] 赵同贺.新型开关电源典型电路设计和应用 [M].北京：机械工业出版社，2011.

[5] 沙占友.同步整流式电源变换器的设计 [J].电气应用，2006（6）：60-63.

[6] 马洪涛，沙占友，周芬萍，等.开关电源制作与调试 [M].北京：中国电力出版社，2014.

作者简介：华雷（1992—），男，汉族，江西乐平人，中级工程师，副主任设计师，本科，主要研究方向：机载应答机电源模块的设计和研究;许涛（1983—），男，汉族，四川绵阳人，中级工程师，副主任设计师，本科，主要研究方向：地面一体化询问机电源模块、机载应答机电源模块的设计和研究;王旭升（1997—），男，汉族，甘肃兰州人，初级工程师，设计师，本科，主要研究方向：机载防撞设备电源模块的设计和研究。