集中供电电源的设计与实现

党政 李斌

摘 要：用于消防控制系统的集中供电电源应具备不间断供电的特性，能够进行电池充电及智能显示。本文通过半桥拓扑设计主电电路，以STM8S003F3P作为电源的控制单片机，使用繼电器控制电路实现主备电无缝切换，使用电池充电电路对蓄电池进行智能充电管理，最后搭建实际电路进行验证。验证结果表明：设计的集中供电电源输出性能指标较高，且能够实现不间断供电及电池充电功能，满足消防控制系统供电要求。

关键词：集中供电电源；半桥拓扑；充电管理；智能

*国家重点研发计划重大科学仪器设备开发专项（NO.2017YFF0106703）资助

0 引言

随着社会经济和科学技术的不断发展，各种家用电器的出现使得人民生活越来越方便，用电负荷也不断增加，消防设施的配套已成为小区住户的安全保障。消防控制系统作为各种消防设施的控制枢纽，一旦停止运行，将会给整个小区的用电安全和人民的财产安全带来极大的威胁[1]。而确保消防控制系统安全可靠持续运转的关键部件就是集中供电电源。集中供电电源作为消防控制系统独立的供电电源，其在电网正常供电、异常断电时，能够不间断地为消防控制系统供电，保证应急照明、消防设备联动等消防设施能够安全可靠运行。目前，消防设备逐渐向智能化、信息化、网络化方向发展，对集中供电电源提出了更高的要求，如输出电压实时显示、电源工作状态监测等[2]。

因此，针对不间断供电和智能化控制的要求，本文采用直流输出UPS的供电策略，有两路独立的输入电源：一路由电网提供交流电源，经过整流滤波和DC/DC半桥拓扑两级变换实现主电输出，另一路由蓄电池组供电，提供直流备用电源输入。基于STM8系列单片机控制继电器实现主备电的切换和备电单投功能，采用智能充电管理技术提高电池寿命，增加主电、备电工作状态显示及实时电压显示。

1 整机设计方案

1.1 基本原理

集中供电电源主要由主电电路和备电电路两部分组成，同时包含智能化显示和控制，硬件的整体方案如图1所示。主电采用两段式变换结构：整流滤波电路和DC/DC半桥变换电路。市电220 V AC，经前级整流滤波电路后，通过后级DC/DC半桥变换电路实现直流24 V/20 A的功率输出，同时产生蓄电池组的充电电源，经充电控制电路，为备电蓄电池组充电，此为主电供电状态。当主电欠压或断电时，主电保护电路动作，关断主电输出，备电通过单片机对主电监测控制继电器切入，为控制系统提供不间断供电。一旦市电恢复正常，将自动切换到主电供电状态。

通过STM8系列单片机组成的CPU系统，对蓄电池进行充电控制，完成智能化充电管理功能，同时通过对主电、备电的工作状态、输出电压进行实时监测，将信号送到前面板进行状态显示，并对各种故障状态进行报警。自检功能在一定程度上能够反映各硬件电路的工作状态，该电路能够对风扇、数码管、指示灯等硬件状态进行检测，判断各硬件是否能够正常工作。

1.2 主电电路

1.2.1 T L494芯片和IR2101芯片介绍

TL494是一款可调频率的脉冲宽度调制控制器，其内部集成误差放大器、片内可调晶振、死区时间控制比较器、触发器、5 V稳压器以及输出控制电路等，外围电路少，易于设计。同时，TL494的输出控制可以选择两种工作模式：单端和推挽[3]。

IR2101是一款含有欠压锁定的专用半桥驱动芯片，具有独立的高端和低端输出通道，逻辑输入兼容标准的CMOS或者LSTTL输出，实现10～20 V的栅极驱动电压，浮动通道能够驱动高达600 V的N沟道功率MOSFET或IGBT[4]。

1.2.2 主电电路工作原理

在前级整流滤波电路中，主要实现输入整流滤波和初级辅助供电等功能。电路输入部分增加保险丝、热敏电阻和压敏电阻构成过温和过压保护电路，由X电容、Y电容、共模电感组成的EMI滤波器构成了差模滤波和共模滤波电路，以抑制瞬时电压尖峰、浪涌电流等电网干扰串入电源内，提高电磁兼容性能。利用RC串联解决开关瞬时变化带来的干扰。整流滤波部分采用不可控整流桥，通过平衡电阻并联滤波电容确保电压均衡。初级辅助供电采用电容降压电路，限制最大负载电流，配合线性稳压电路，简化初级辅助供电。

为确保主电输出大功率，功率变换电路采用半桥拓扑，如图2所示。通过TL494芯片组成的控制电路实现对半桥电路的PWM（脉冲宽度调制）控制，利用稳压管TL432、光耦合器取样输出端电压给TL494芯片的反馈端，调整输出侧电压，提高主电输出准确度。半桥电路驱动采用IR2101芯片，消除功率MOSFET的共通现象。为了进一步提高电源可靠性，本电源还设计了过流保护、短路保护及过温保护。过流和短路保护电路采用反时限的方式，当过流现象持续一段时间后，过流保护点逐渐下降，使电流呈现反时限特性。过温保护选用温度开关取样散热器温升，温度过高时降低输出电压，进而降低输出功率，防止内部温度进一步上升，提高功率电路的安全性。备电蓄电池组的充电电压是通过变压器的叠绕方式在输出电压之上叠加固定电压，提高充电电源输出的交叉调整性能。

1.3 备电电路

1.3.1 智能充电管理电路

智能充电管理系统是由单片机控制的“三段式”蓄电池充电方案，采用间隙周期性的充电方式，将每个充电周期分为三个阶段，即短时快速均充充电—恒压浮充充电—长时间微小电流放电。

电池充电管理电路如图3所示，为防止蓄电池发生极化效应，提高电池寿命，采用脉冲式充电策略。由单片机产生充电信号C_SIG，频率为1 Hz，脉冲占空比为75%。当C_SIG为高电平时，晶体管Q8截止，VCHG经过充电电路给电池充电，均充电流有效值为1.4～2.2 A，可确保蓄电池组在24 h充满，此为快速均充充电模式。当电池电压达到浮充电压点27.1 V左右时，利用TL432的比较器特性，将信号反馈给充电电路，使其停止充电，转入小电流浮充模式，平衡蓄电池组自然放电的电荷。

1.3.2 继电器控制电路

继电器控制电路是实现主备电无缝切换功能的电路，对初级交流输入和辅助电源检测，识别主电工作状态，通过光耦隔离传输至次级侧，控制继电器切换，完成输出端的不间断供电。检测电路采用迟滞方式，可有效提高信号检测的准确性。

继电器控制电路如图4所示，电源主电和备电均正常工作时，光耦隔离OP2截止，OP3导通，检测主电状态信号PC4发送高电平，继电器不动作，此时为主电正常工作状态；而当主电发生异常时，光耦隔离OP2导通，OP3截止，检测主电状态信号PC4发送低电平，继电器吸合，备电蓄电池组直接供电给输出，从而实现了主备电无缝切换。

1.3.3 其他电路

自检电路在电源前面板中设置专门的自检按键，通过CPU控制硬件电路，实现对风机、显示电路和蜂鸣器驱动电路的功能检测。输出检测、备电检测采样输出电压和备电电压，送给CPU的模拟信号检测端口，实现输出电压和工作状态的实时显示和功能控制。风扇控制电路通过采样变压器温度检测的热敏电阻的阻值，控制散热风扇工作，实现功率电路强制风冷。蜂鸣器驱动电路根据CPU检测到的电池过放故障，切断放电回路时，并驱动蜂鸣器告警，音频频率为1 kHz，响应0.5 s，报警时间设计为2 h。显示电路使用3位数码管显示输出电压，8个指示灯实时指示主电工作、备电工作、主电故障、备电工作、备电欠压等多种工作状态。单片机通过移位存储寄存器提供送显数据，实现1 ms/4 ms均匀显示。

2 测试结果与分析

根据上述设计方案，进行了该电源的输出电压测试，图5（a）是该电源在主备电无缝切换时输出电压变化曲线，其中A部分为主电正常工作时的输出电压，B部分为蓄电池组供电时的输出电压。图5（b）是主电输出电压纹波、噪声变化曲线。由图5（a）可以看出，在主电工作时，输出电压为26.4 V左右；蓄电池组供电时，输出电压在24 V左右；图5（b）中主电工作时输出电压纹波在6 mV左右，输出电压噪声在94.37 mV左右，说明此电源輸出性能指标均满足消防控制系统供电电源的要求。另外，本设计成本低廉，且具有智能化的显示和充电管理系统，极大地满足了智能化和小型化的要求。

参考文献：

[1] 谢香志.中山商住楼供配电系统设计与分析[D].广州：华南理工大学，2017.

[2] 郭晋男.消防电源故障自诊断系统研制[D].长春：长春工业大学， 2017.

[3] Texas Instruments.TL494 Pulse-Width-Modulation Control Circuits[EB/OL].[2017].http：//www.ti.com.

[4] International Rectifier.IR2101（S）/IR2102（S） &（PbF） HIGH AND LOW SIDE DRIVER[EB/OL].[2014].https：//www. infineon.com.