一种机载电压浪涌发生器的设计与实现

吴 林，宋金华，谢启少，王 霞

(1.同方电子科技有限公司，江西 九江 332002； 2.九江市双峰小学，江西 九江 332000)

0 引言

机载电压浪涌发生器是用于机载用电设备进行电压浪涌测试的平台，针对GJB181-86[1]或GJB181A-2003[2]两种浪涌电压指标的测试[3]，在GJB181-86 中要求机载用电设备在输入直流28 V正常工作时，承受过压浪涌为80 V、脉宽50 ms、时间间隔为1 min，连续5次；欠压浪涌为8 V、脉宽50 ms 、时间间隔为1 min，连续5次；在GJB181A-2003中要求机载用电设备在输入直流28 V正常工作时，承受的过压浪涌为50 V、脉宽50 ms、时间间隔为1 min，连续5次；欠压浪涌为18 V、脉宽50 ms 、时间间隔为1 min，连续5次；设计的机载电压浪涌发生器，采用两路AC/DC电路和继电器的灵活切换实现80 V、8 V、50 V、18 V种电压浪涌输出，同时通过8051f330实现浪涌电压的脉冲宽及脉冲间隔等控制、实现工作状态及试验进程的显示、输入输出异常的保护。

1 原理框图

图1为机载电压浪涌发生器的原理框图，在机载电压浪涌发生器内，主要包含两路AC/DC模块，EMI滤波器，辅助电源，微机单元，前面板(按键和指示灯)单元，脉冲输出控制继电器，串接并接控制电子开关。

图1 机载电压浪涌发生器内部结构框图

图2为机载电压浪涌发生器的前面板图，通过前面板的按键，以及微机单元的程序控制，实现GJB181-86[1]或GJB181A-2003[2]两种规格的浪涌电压，并通过相应指示灯显示其工作状态。

图2 机载电压浪涌发生器前面板图

2 硬件设计

2.1 性能指标

1)电源适应性：交流176～264 V，频率：50±3 Hz。

2)电源输出：28 V。

3)浪涌输出：过压浪涌80 V/50 ms、50 V/50 ms ；欠压浪涌8 V/50 ms、18 V/50 ms 。

4)电流输出：最大20 A。

5)保护：输入过压、欠压保护；输出过流、短路保护。

2.2 AC/DC电路设计

两路AC/DC电源模块都采用了相同的全桥移相软开关电源电路，就是通过增加的一个谐振网络，使开关器件在零电压时打开，在零电流状态时关断，从而实现软开关，大大降低开关损耗，提高电源转换效率吧。这样就可降低开关损耗，从而提高电源效率。

如图3所示，4个开关管(IRFP460)构成全桥电路结构；驱动芯片TC4427与驱动变压器构成隔离驱动电路。

图3 全桥移相功率开关关部分电路图

如图4所示，为全桥移向控制芯片UC3875电路，芯片的8、9脚及13、14脚输出开关管控制信号。根据芯片3脚所接的反馈电压来控制开关管方波信号的移相角来实现稳压输出(如5所示)。通过其5、6脚所接的比较器及整流电路来实现过流或短路保护，当有过流或其他故障时6脚电压被拉低，电源输出降低进行保护，当输出有短路或其他故障时，比较器输出一个高电平至UC3875的5脚，电源输出关闭锁死进行保护。

图4 控制芯片UC3875电路

图5 移相控制时序图

AC/DC变换电路输出端整流滤波电路如图6所示。

图6 输出整流滤波电路

输出整流管采用肖特基二极管，肖特基二极管有较小的管压降，可以进一步提高电源转换效率。储能电感值的计算式为：L=(VL*Δt)/Δi;L为电感值，VL为电感电压值，Δt为导通时间，Δi为导通时间内电流的变化。滤波电容值的计算式为：C=(ΔI*ton)/ΔV,C为电容值，ΔI为导通时间内电流的变化，Δt为导通时间，ΔV纹波电压。

2.3 单片机8051F330电路设计

C8051F330是完全集成的混合信号系统级MCU 芯片, 片内有上电复位、VDD监视器、时钟振荡器、可编程数字I/O和交叉开关(Crossbar) 、可编程计数器/ 定时器阵列(PCA) 、10 位高速ADC/ DAC、8 kB 可编程FLASH 存储器, 768B片内RAM, 具有高速度(MIPS) 、微型封装(4 mm *4 mm), 且内置温度传感器(±3℃), 且C8051F330是一个与8051 全兼容的内核，其工作电压为2.7～3.6 V。

如图7所示，单片机8051F330的1脚悬空，2脚接地GND,3脚与3.3 V电源连接，4脚和5脚与JTAG口连接，6～10脚与前面板6个指示灯连接，11脚与前面板待机按键连接，12脚与前面板过/欠压连接，13脚与前面板86/03标准按键连接，14脚与与前面板启动按键连接，18脚与19脚分别与两路AC/DC输出连接，16脚与17脚可作串口调试用。

图7 单片机电路及管脚配置

3 软件设计

3.1 程序流程图

图8 程序流程图

图8为机载电压浪涌发生器的程序流程图，在程序框图内，微机单元首先判断是GJB181-86还是GJB181A-2003测试标准，其次判断是过压还是欠压测试，然后微机单元根据接受到的启动按键命令信号，实现输出对应规格的脉冲电压，并连续5次输出50 ms脉宽的脉冲电压，最后当微机单元检测到底5次脉冲电压输出完毕，程序自动关闭浪涌发生器工作，转为待机状态，整个工作进程中均以相应的指示灯显示其状态。

3.2 浪涌输出控制

在不同标准及不同浪涌输出情况下，两路AC/DC电源电压输出不同的电压值。

如表1及图9所示，单片机通过控制V1、V2及K1、K2继电器来实现不同的脉冲输出。

表1 两路AC/DC输出电压真值表

图9 浪涌脉冲输出控制电路

1)当按86标准输出过压脉冲时，K1继电器吸合，B1、B2电源模块处于串联输出模式。B1输出电压为52V，B2电源模块输出电压为28 V。过压浪涌试验时设备输出正常的28 V电压(K2断开，B2模块供电)，当单片机输出50 ms的浪涌脉冲时，该脉冲信号控制K2导通，则设备输出相应的幅度为80 V脉宽为50 ms的过压浪涌。

2)当按03标准输出过压脉冲时，K1继电器断开，B1模块的负极通过该继电器接地，B1、B2电源模块处于并出模式。B1输出电压为50 V，B2电源模块输出电压为28 V。过压浪涌试验时设备输出正常的28 V电压(K2断开，B2模块供电)，当单片机输出50 ms的浪涌脉冲时，该脉冲信号控制K2导通，则设备输出相应的幅度为50 V脉宽为50 ms的过压浪涌。

3)当按86标准输出过压脉冲时，K1继电器断开，B1模块的负极通过该继电器接地，B1、B2电源模块处于并出模式。B1输出电压为28 V，B2电源模块输出电压为8 V。欠压浪涌试验时设备输出正常的28 V电压(K2吸合，B1模块供电)，当单片机输出50 ms的浪涌脉冲时，该脉冲信号控制K2断开，则设备输出相应的幅度为8 V脉宽为50 ms的欠压浪涌。

4)当按03标准输出过压脉冲时，K1继电器断开，B1模块的负极通过该继电器接地，B1、B2电源模块处于并出模式。B1输出电压为28 V，B2电源模块输出电压为18 V。欠压浪涌试验时设备输出正常的28 V电压(K2吸合，B1模块供电)，当单片机输出50 ms的浪涌脉冲时，该脉冲信号控制K2断开，则设备输出相应的幅度为18 V脉宽为50 ms的欠压浪涌。

3.3 AC/DC输出电压控制

如表1所示，通过控制信号V1、V2来控制B1、B2的不同输出电压。器输出电压控制电路如图10所示。

图10 B1模块输出电压控制电路图

如图10、图11所示，为B1和B2模块的部分电压反馈网络电阻电路，通过单片机输出的控制信号V1、V2的组合来改变相应模块的电压反馈电阻的对地阻值得到需要的输出电压。分压电阻的取值依据公式：Vout=VREF×(R3+R并)/R并(其中VREF=5 V,R并=R4//R控制)。

图11 B2模块输出电压控制电路图

3.4 脉冲输出控制

浪涌电压是由单片机输出的相应脉冲信号控制输出继电器K2得到，脉冲信号时序如图12所示。

图12 脉冲信号时序图序图

如图12所示，过压浪涌脉冲信号时一个正脉冲信号，脉宽为50 ms，每两个脉冲的时间间隔为1 min；欠压浪涌脉冲信号时一个负脉冲信号，脉宽为50 ms，每两个脉冲的时间间隔为1分钟。

3.5 指示控制

当选择好过压或欠压试验项目时，对应的过压/欠压指示灯亮；当选择好80 V/8 V或50 V/18 V标准时，由对应的指示灯进行指示。

在设备开机后单片机控制待机指示灯闪烁，表示设备下待机状态下，试验时按一下浪涌启动按键；待机指示灯熄灭，同时第一个进程指示灯闪烁，表示即将输出第一个浪涌脉冲；第一个浪涌脉冲输出后，第一个进程指示灯常亮，同时第二个进程指示灯闪烁，表示即将输出第二个浪涌脉冲，如此依次指示完5个浪涌脉冲输出后再转为待机状态，5个进程指示灯熄灭，待机指示灯闪烁。

4 仿真与实验

机载浪涌发生器proteus仿真电路如图13所示，通过仿真可以验证程序实现的功能，主要有工作状态显示、按键检测与控制输出电压及工作异常的保护。

图13 机载浪涌发生器控制程序proteus仿真图

根据上述设计思想制作出的电压浪涌发生器，可以对机载设备进行浪涌试验，两个AC/DC模块的转换效率分别约93%、92%，具有操作简单，体积小重量轻等优点。被测设备(500 W设备)的供电电源线接至浪涌发生器的输出接线端，启动测试，通过输出波形分析，表明了浪涌发生器能够满足机载用电设备的浪涌电压测试要求。其输出电压浪涌波形如图14所示。

图14 GJB 181-86标准测试过压/欠压浪涌波形图

图14是机载浪涌发生器按GJB 181-86标准测试的过压/欠压输出浪涌波形图，其中图(a)是过压浪涌波形图，从图中可以读出浪涌电压脉宽为50 ms,幅值为80 V；图(b)是5次过压浪涌实验的整波形图，从图中可以读出，一次试验有5次过压浪涌电压发生，每相邻两次浪涌电压间隔1 min，当第5次浪涌电压发生完成后，浪涌发生器自动进入待机状态，并以待机指示灯显示。

图14(c)是欠压浪涌波形图，从图中可以读出浪涌电压脉宽为50 ms,幅值为8 V；图(d)是5次欠压浪涌实验的波形图，从图中可以读出，一次试验有5次过压浪涌电压发生，每相邻两次浪涌电压间隔1 min。当第5次浪涌电压发生完成后，浪涌发生器自动进入待机状态，并以待机指示灯显示。

图15是机载浪涌发生器按GJB 181-86标准测试的过压/欠压输出浪涌波形图，其中图(a) 是过压浪涌波形图，从图中可以读出浪涌电压脉宽为50 ms,幅值为50 V；图(b)是5次过压浪涌实验的整波形图，从图中可以读出，一次试验有五次过压浪涌电压发生，每相邻两次浪涌电压间隔1分钟，当第五次浪涌电压发生完成后，浪涌发生器自动进入待机状态，并以待机指示灯显示。

图15(c)是欠压浪涌波形图，从图中可以读出浪涌电压脉宽为50 ms,幅值为18 V；图(d)是5次欠压浪涌实验的波形图，从图中可以读出，一次试验有5次过压浪涌电压发生，每相邻两次浪涌电压间隔1 min。当第5次浪涌电压发生完成后，浪涌发生器自动进入待机状态，并以待机指示灯显示。

图15 GJB181A-2003标准测试过压/欠压浪涌波形图

5 结论

围绕机载浪涌发生器硬件和软件的工作原理进行介绍,首先对其硬件电路进行了设计，为了满足GJB 181-86和GJB 181A-2003的标准，设计了两路高效移相AC/DC变换电路，可以同时输出两种规格电压，然后通过烧录到微机单元中C8051f330的程序，能够检测到按键信号并通过I/O口输出相应的控制信号，实现两路AC/DC变换电路的串联/并接，并通过脉冲输出控制继电器的闭合实现输出所要求的脉冲电压。通过proteus软件对机载浪涌发生器的控制程序进行了仿真，对电路和程序的设计、调试等有重要参考价值。同时也根据浪涌发生器的设计原理制作了样机，最后通过样机加电调试，并测输出波形，验证了浪涌发生器能够可以输出满足满足GJB 181-86和GJB 181A-2003标准的电压浪涌，即满足机载用电设备对耐浪涌电压的测试要求。