0 引言

　　隨著電力電子技術的快速發展，開關電源越來越受到重視，尤其是在通信、電力領域中得到了廣泛應用。 

　　近年來，為了提高電源使用的方便性和簡易性，電源的模塊化和集成化成為研究的重要課題。電源采用模塊化設計使得不同的系統可以根據自身的容量來選擇并聯模塊的數量，同時又保證了冗余度，便于維護和替換，實現丁“積木式”結構，而針對這種新的系統結構，舊的電源監控維護方式已無法滿足管理要求，因此，有必要采用“積木式”多重監控系統。目前，一些文獻介紹了這種電源監控方式，但是，監控模塊沒有考慮到成本、體積等因素，而在將電源主功率和其他外圍電路集成時，這些因素是不得不考慮的。為了便于將監控模塊與主功率模塊集成在一起，實現小型化，保證可靠性，必須設計出結構簡單、功能強大、抗干擾能力強、成本低廉、便于大規模生產的監控模塊。

　　1 監控系統硬件設計

　　1.1 監控系統硬件結構

　　為了簡化監控模塊的電路，采用總線式設計方案，即將大量的數據處理放在系統級監控中，而模塊級監控負責數據采集(包括輸出電壓、電流)，以及提供各種保護功能并且進行狀態監控(包括過熱、過流、過壓、電網故障等)。由上位機通過通信總線對各個電源模塊進行管理，監控系統框圖如圖1所示。 

　　1.2 監控模塊硬件功能設計

　　單個監控模塊所要實現的功能包括監測功能、控制功能和通信功能．監測是指動態采集模塊輸出電流、判斷模塊工作狀態，并將數據和有關狀態傳輸給系統上位機；控制是指接受上位機發出的調壓信號進行模塊輸出電壓的調節，也可以通過面板上電位器進行輸出電壓調節，同時實現故障保護；通信是指模塊配備RS485接口與系統上位機通信。

　　監控模塊的功能框圖如圖2所示。電源主功率電路采用移相全橋，可以實現軟開關，提高效率，為了擴展軟開關的負載范圍，增加了輔助網絡，具體的電路和工作方式本文不做討論。虛線框內所示就是整個監控模塊，模塊的輸入量有電網輸入電壓、散熱片溫度、電源輸出電壓和輸出電流；模塊的輸出量有調壓信號、電源關閉信號和送給上位機的電源運行狀態信號。   

　　微處理器是監控的核心器件，奉系統采用PHILIPS公司的P87LPC768單片機，其內部集成了PWM口、UART、WATCHDOG，該微處理器體積小(20腳)、功耗低、功能強大。PWM口可以用來進行D／A轉換，由于對輸出電壓的調節不是很快的調速系統，因此只需要普通光耦隔離，跟隨阻容濾波器進行濾波，得到控制信號，對輸出電壓進行調節，這樣，充分利用了單片機內部的資源，減少了容易受溫度和電磁場干擾的外圍元器件。

　　由于電源模塊內部溫度變化較大，普通的模擬信號隔離(如采用線性光耦隔離)受溫度影響較大，因此先對輸出電壓和電流進行采樣，得到數字信號，然后再通過光耦隔離送入單片機內處理。電流采樣選用的是串行A／D轉換器(如MAX1109)，這樣一方面節省了單片機有限的管腳資源，另一方面減小了模塊體積。由于串行A／D轉換器的數據讀出和寫入的頻率可以比較低，因此可以采用普通光耦，降低成本。而轉換時鐘則可以采用A／D轉換器內部的高頻時鐘，不會影響轉換精度。

　　采樣得到的輸出電壓和電流值，也可以通過串行通信傳送到上位機，供上位機對整個系統進行監控管理，同時也供模塊本身的液晶顯示用。為了節約單片機的資源，可以采用串行傳送的方案。通過一個串行／并行轉換器(如74LS164)來實現這一功能。液晶可以采用模塊，簡化設計電路，提高可靠性。同時為了節省單片機資源，可以讓液晶模塊工作在4位數據方式。

　　監控模塊的電壓調節方式有兩種：一是通過手動調節旋鈕進行手動調節，二是修改軟件里的設置進行調節(系統級監控中才涉及)。控制電源模塊的輸出電壓主要是要控制PWM波形的占空比，第一種方式下必須設計出可以產生占空比可調的PWM波形的電路(如由555定時器組成的占空比可調的多諧振蕩電路)，第二種方式下，是利用PHILIPS的P87LPC768單片機的PWM口產生PWM波形，而占空比的改變是在軟件中進行設置的。

　　監控模塊與上位機進行通信時，由于是多級通信，必須要有地址來進行相互區分，對每個模塊進行地址編碼，模塊的地址設定靠撥碼開關來控制，設置好的地址通過并進串出移位串行寄存器讀入單片機內進行處理。通信采用485協議。

　　采用上述設計方案設計出來監控模塊體積小，成本較低，功能又比較完善。

　　2 監控系統軟件設計

　　整個系統的軟件采用模塊化設計，由多個子程序構成，便于調試和擴展。為了提高采樣數據的準確性，減小誤差，在程序中采用了數字濾波技術。

　　主程序的流程圖如圖3所示，初始化后進入主循環，檢測系統的狀態，判斷是否過壓，電網是否故障，是否過溫，是否過流，并且采樣輸出電流，轉換成電壓信號作為顯示并且通過通信總線輸送到上位機。由于模塊的電壓、電流顯示只是起到監視作用，不作為測量，因此刷新的頻率不需要很高，基本上不加重MCU的負擔。   

 
　　檢測系統狀態時，如果發生了故障，延時再判斷是不是真的出現故障，一旦確認是出現了故障，關掉模塊輸出，同時用不同的LED指示燈來顯示不同的故障。這其中，過溫故障和電網故障是屬于可恢復性故障，因此要求等待一定時間，當故障消失后，模塊能夠重新啟動；而輸出過壓和過流故障是不可恢復性故障，則不應該再讓模塊重新啟動。

　　上位機對下位機的控制主要通過通信總線，采用主從式多機通信方式，上位機首先處于方式二，發出地址幀，然后等待從機的回答信號，收到后轉為方式三，再發出指令。被呼叫的從機收到主機的地址幀后，如果與自己的地址一致，就從方式二切換為方式三，把自己的地址作為數據發出，然后等待指令。

　　數據格式如下：   

　　D8位為1表示發出的是地址幀，08位為0表示發出的是數據幀。模塊地址編號從0到15，與模塊放置次序一一對應。通

信波特率為2400bps。

　　3 結語

　　本文介紹的監控系統，功能齊全，可靠性高，體積很小，而且抗干擾能力強，受溫度影響小，成本低廉，能夠應用在高功率密度電源模塊中，有很大的實用價值，現已應用在通信電源產品中。