消防设备电源监控系统供电电路设计

葛　俊，应智花

(杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所，浙江 杭州 310018)



消防设备电源监控系统供电电路设计

葛俊，应智花

(杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所，浙江 杭州 310018)

摘要：针对目前市场上消防设备电源监控系统供电电路可靠性低的缺点，设计了一种能够持续稳定工作的供电电路，主要包括主备用电源切换、备用电源充电、输出短路保护等电路，以及电磁干扰设计，对重要元件的选型作了详细地说明.实验结果表明，电路实现了对供电线路的有效保护，稳定性较高.

关键词：消防设备电源；主备用电源切换；短路保护；电磁干扰

0引言

近年来，火灾事故频繁发生，消防设备变得越来越重要.消防设备电源监控系统的电源稳定性必须得到保证[1].目前，消防设备电源监控系统多使用双电源供电电路，这类电路存在以下几点不足：第一，采用数字芯片控制，反应速度相比模拟电路较低，且成本高[2]；第二，缺乏有效的短路保护功能；第三，缺少抗电磁干扰设计[3].现实生活中，供电线路经常出现上千伏的脉冲电压，对元器件的损害是致命的，尤其是主控芯片，所以加入抗电磁干扰的设计是非常必要的[4].本文针对消防设备电源监控系统供电电路的不足，进行了电路的优化和重新设计，提高了供电电路的可靠性和稳定性，保障了消防设备电源监控系统的正常运作.

1电路工作原理概述

消防设备电源监控系统的供电电路结构如图1所示，主要包括主备用电源切换电路、备用电源充电振荡电路、主备用电源输出短路保护电路.

图1　消防设备电源监控系统供电电路框图

主备用电源切换电路自动切换使用主电和备用电源，当主电电压不足时，切换到备电，主电源恢复正常后，重新切回，同时通过充电振荡电路对备用电源进行充电，振荡电路由CD40106组成，产生方波信号用于控制铅蓄电池充电.电源输出短路保护电路，及时高效地保护主备用电源.

2硬件电路设计

2.1主备用电源切换电路

主备用电源的切换功能主要是通过MBR2060实现的，MBR2060内部是共阴极连接的2个二极管，最高直流禁止电压可达到60 V，常温状态下，在反向直流电压达到60 V的时候，反向电流只有0.1 mA，具有低功耗，高效率的优点，切换电路如图2所示.

图2　主备用电源的切换电路图

主电源(AV+)连接之后，继电器才能闭合，这样备用电源(BV+)接入供电线路，这个设计是为了确保主电优先供电.当主电源发生失压、欠压时，MBR2060迅速动作，使得备用电源导通，同时将主电源线路切断，保证了供电的稳定性[5].

部分电源切换电路采用数字电路，主要使用采样芯片采集主备用电源输出的电压值，然后将采集的数据传输到单片机进行处理，单片机处理完后输出控制信号，将电压值低于标准电压值范围以外的一路截止，连通另一路输出.该方法比使用模拟电路方法反应慢，原因有两个：1)采集芯片将模拟电压信号转化为离散的数字信号，需要一定的采样周期，不具备实时性；2)转化之后的数字信号需要传递到单片机中进行处理，然后单片机再发出控制信号，控制线路的通断，增加了延时的时间[6-7].模拟电路中都是连续的模拟信号，直接控制元件的通断，能够保证实时切换.

2.2充电振荡电路

振荡电路产生的方波控制信号经过充电电路对蓄电池进行充电，振荡电路、充电电路分别如图3、图4所示.

图3　充电振荡电路图

图4　充电电路图

振荡电路核心器件CD40106根据直流供电电压的大小改变上升、下降电压，从而改变输出波形的幅值，根据CD40106数据手册和实际需求设置合理的振幅和占空比，即可产生振荡控制波形.

图4中R2，R4，Q3构成1个过流保护，这里有2个元件的选择需要注意：1)电阻R2因为连接在充电线路上，会带来不必要的功耗，所以尽量选择阻值较小的电阻，图4选择了1 Ω的水泥电阻，保证了低功耗，同时水泥电阻的功率较大，不会因为电流过大而损坏；2)三极管Q3应该选择功率型三极管，可以避免因电流过大带来的器件损坏，同时该类三极管具有较快的反应速度、额外功率损耗低等优点.

2.3短路保护电路

实际使用中，元器件的损坏、线路的老化和人为的非法操作都会引起供电线路的短路，而短路对电源的破坏相当巨大.短路造成线路电流过大，瞬间释放大量热量，严重时会造成火灾.本文设计了一个有效的短路保护电路，如图5所示.

该电路核心开关器件采用P沟道MOS晶体管，该类型晶体管具有较快的开关频率，且导通状态时，流过的电流较小，减少了功率损耗.R2，R21和Q7构成一个瞬间导通电路，R20，R22，D15和R23构成1个持续的导通电路.

2.4抗电磁干扰设计

AC线上的干扰由开关电源消除，但是其他连接线，比如连接传感器的24 V供电线路，必须加相应的抗干扰设计，具体电路如图6所示，供电电路安装在监控器内部，分别为监控器和传感器供电，这里只给出供电电路外部输出端的电磁干扰部分电路，外部24 V输出是供电电路中用于给传感器供电的输出端.

L1为共模电感，L2，L3为差模电感，分别用来抑制骚扰电场产生的共模干扰和差模干扰，电感的电感量应尽可能大一些，这样，抗干扰效果更好.D21是36 V的TVS管，C14是2 kV的高压电容，当线路中有高压脉冲传输时，浪涌管会立即导通，经过高压电容将高压脉冲从地线放掉，跨接在线间的安规电容，用来滤除供电线上的杂波，使供电更加稳定.

图6　抗电磁干扰设计图

3实验结果

图7　脉冲充电波形图

使用设计模块的PCB电路板进行实验，接入主备用电源，使用示波器查看备用电源线路上的充电波形如图7所示，高电平为充电时间，低电平为放电时间，符合脉冲充电的波形.

短路保护及自恢复波形如图8所示.电路正常供电情况下，将输出端短路，由于电压幅值过大，将示波器衰减系数设为10.当短接输出端时，电路切断供电线路的时间在1 ms左右，撤除短接后，供电恢复正常，用时10 ms左右，能够有效地保护元器件不受损坏.

图8　短路保护及自恢复波形

抗电磁干扰中电快速瞬变脉冲群抗干扰度用pspice仿真进行验证.图9(a)为仿真电路图，干扰源加在连接线之间，查看供电电路输出端的电平变化.分别在信号源正极、L1的1端和共模电感输出端放置探测点Ui，Um，V，仿真得到的电压波形如图9(b)所示.

图9　电快速瞬变脉冲群干扰试验仿真

由图9(b)可以看出，脉冲电压经过差模电感之后，由原先的1 000V降低为小于60V的脉冲，最大值只有58.394V，再经过共模电感和滤波电容的作用，最终在受干扰设备处的电压峰值最大只有353.563mV，这样的电压不会对设备造成损坏，有效地减弱了脉冲电压的干扰，对电路起到保护作用.

本供电电路已经被投入实际应用，主要安装在消防设备电源监控器机壳中，主电源接入24V开关电源，备用电源接入24V蓄电池.首次通电，若先打开备用电源，无法开启供电，必须打开主电源，才能开启将备用电源接入，保证了主电源的优先供电.电源接通后，供电线路板中各主备用电源指示灯被点亮，监控器和传感器都能正常工作，关闭主电源，切换到备用电源供电，依然保持供电正常，待蓄电池电量耗尽，打开主电源，持续24h，再次关闭，备用电源可以继续供电，充电电路有效.短路供电输出端，线路立刻被切断，供电终止，待短路故障撤除，电路恢复正常工作状态.抗电磁干扰实验在检验中心完成，电快速瞬变脉冲群抗干扰试验的具体试验条件如表1所示，对电源切换板产生干扰的主要是加在其他连接线上的干扰，监控器在试验中，能够保持正常的供电和监视，试验完成后，整个系统基本功能与之前保持一致，说明抗电磁干扰电路滤除了干扰.

表1　电快速瞬变脉冲群抗干扰试验条件

4结束语

本文针对现有消防设备电源监控系统供电电路的不足，设计了新的供电电路.电路采用模拟控制方式，反应速度比数字控制方式更快，尤其表现在主备用电源切换和短路保护中.抗电磁干扰措施的加入，提高了整个供电电路的稳定性，使得安装此电路的消防设备电源监控系统在复杂电磁干扰环境下能稳定运行.本设计电路具有成本低、反应速度快的优点，提高了消防设备电源监控系统的可靠性.

参考文献

[1]杨春丽.消防设备电源监控系统设计[J].建筑电气，2015(4)：34-39.

[2]孔祥新，徐晓明，刘敬科.基于STC12C5A60S2的双电源供电智能控制系统设计[J].电子技术，2014，3(11)：42-44.

[3]冯燕.用于电子式电能表的电源管理供电系统[J].电测与仪表，2010，47(11)：76-80.

[4]张平川，王新娜.无线智能电表电磁兼容设计[J].仪表技术与传感器，2014(6)：52-55.

[5]赵应春，廖立平，蒋小红.直流双电源智能无缝切换装置[J].电工技术，2012(2)：64-66.

[6]陈建余，肖磊.基于单片机的自动转换开关电器控制器的设计[J].低压电器，2011(22)：8-10.

[7]傅翠琴，阙滨城，刘布民.基于电流模式的三电源切换电路研究[J].电源技术应用，2011，14(1)：52-55.

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.03.004

收稿日期：2015-09-09

基金项目：浙江省科技计划资助项目(2015F50024)

作者简介：葛俊(1990-)，男，江苏扬州人，硕士研究生，集成电路设计.通信作者：应智花副教授，E-mail：yingzh@hdu.edu.cn.

中图分类号：TU851

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2016)03-0018-05

Design of Power Supply Circuit of Power Monitoring System of Fire-fighting Equipment

GE Jun, YING Zhihua

(InstituteofNewElectronicDevicesandApplications,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：For the low reliability of the current supply circuit of the power monitoring system on the market, the one with continued stabilization state is designed. The circuit includes main and backup power switch, backup power charger, output short circuit protection, and electromagnetic interference design. The selection of important components is in detail. Experimental results show that the circuit achieves the effective protection of power lines. It has a high stability.

Key words：fire-fighting equipment supply; active and standby power switching; short circuit protection; electromagnetic interference