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電源電路設計方案范文1
【關鍵詞】PLC技術；自動化控制系統；優化設計；電氣工程
1PLC技術及自動化控制系統概念
1.1PLC技術
工業自動化水平是衡量國家經濟生產力水平的關鍵性標準，在這個過程中，工業自動化模式的發展，有利于促進國民經濟的健康、可持續運作。隨著科學技術的不斷創新及應用，電氣自動化系統已經成為工業發展體系的關鍵構成部分，該系統實現了對計算機技術、網絡技術等的應用，自動化控制器是該技術系統的核心部件。在實踐工作中，PLC自動化控制系統實現了對處理器、電源、存儲器等設備的結合性應用，通過對各個設備應用功能的結合，有利于提升自動化控制系統的運作效率。在這個過程中，電源設備是該系統正常運作的基礎，一旦電源設備不能正常發揮其功能，就會導致控制系統停滯的狀況。在控制系統運作環節中，處理器是該系統的核心構成要素，在工作場景中，其需要進行相關數據信息的處理及轉化，其具備良好的處理功能，為了應對電氣自動化的復雜性工作環境，必須實現功能系統、設備運作及管理系統、監督系統等的協調。
1.2自動化控制系統優化概念
為了提升PLC自動化控制系統的運作效率，必須進行相關優化設計原則的遵守，滿足被控制對象的工作要求，針對控制系統的基本功能及環境應用狀況，展開積極的調查及研究，滿足該系統優化設計工作的要求。這需要進行系統相關運作數據資料的整理及分析，進行系統設計及應用方案的優化選擇。為了提升系統的整體運作效率，進行系統設計方案的科學性、規范性、簡約性設計是必要的，從而降低系統的整體運作成本，實現系統綜合運作效益的提升，確保系統整體運作的安全性及可靠性。為了提升系統的生產效率，進行PLC自動化控制目標的制定是必要的，進行工作實際與系統運作狀況的結合，實現PLC容量模塊的合理配置。
2PLC自動化控制系統設計方案
2.1硬件設計模塊
為了實現自動化控制系統的穩定性運作，必須為其創造一個良好的硬件設計環境，這就需要進行硬件設計方案的優化，實現其內部各個工作模塊的協調，進行控制系統工作總目標的制定。
2.2輸入電路設計模塊
輸入電源是PLC自動化控制系統正常運作的基礎，控制系統的供電電源具備良好的工作適應范圍。為了滿足現階段自動化控制系統的工作要求，需要進行電源抗干擾性的增強，降低環境對輸入電源的工作影響，這就需要進行電源凈化原件的安裝，實現隔離變壓器、電源濾波器等的使用。在隔離變壓器工作模塊中，進行雙層隔離方案的應用是必要的，實現屏蔽層的構建，降低外部環境高低頻脈沖的影響。在輸入電路設計過程中，需要進行電源容量的控制，優化電源的短路防護工作，確保電源系統的穩定性、安全性運作，提升輸入電源的整體容量，為了提升電路的整體安全性，需要專門安裝相應型號的熔絲。
2.3輸出電路設計模塊
在輸出電路設計過程中，需要遵循自動化控制系統的相關生產工作要求，進行電路設計準備體系的健全，在這個過程中，通過對晶體管等的利用，進行變頻器調速信息、控制信息等的輸出，實踐證明，通過對晶體管的利用，可以實現PLC控制系統運作效率的增強。在頻率較低的工作環境中，需要進行繼電器設備的選擇，將其作為輸出電路設備，該工程流程比較簡單，且具備較高的工程應用效益，有利于增強自動化控制系統的整體負載能力。在這個過程中，為了避免出現浪涌電流的沖擊狀況，需要在直流感性負載旁進行續流二極管的安裝，進行浪涌電流的有效性吸收，實現PLC自動化控制系統的穩定性運作。
2.4抗干擾設計模塊
為了降低外部環境對系統運作的干擾，可以進行隔離方法的使用，在這個過程中，通過對超隔離變壓器的使用，進行系統高頻干擾狀況的隔離。這也可以進行屏蔽方法的使用，進行干擾源傳播途徑的阻斷，提升控制系統的整體抗干擾性，在實際工作場景中，可以將PLC工作系統放于金屬柜內，金屬柜具備良好的磁場屏蔽及靜電屏蔽功能。為了減少控制系統運作過程中的干擾狀況，進行布線分散干擾模式的應用是必要的，確保弱點信號線、強電動力線路等的分開走線。
3結語
為了實現社會經濟的穩定性發展，必須進行PLC自動化控制方案的優化，實現硬件設計模塊、軟件設計模塊、抗干擾模塊等的協調，提升控制系統的整體運作效益。
參考文獻
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電源電路設計方案范文2
【關鍵詞】直流電子負載；恒流恒壓模式；蜂鳴器報警系統
0 引言
在電源、通信、蓄電池、能源等領域中，需要使用一些靜態負載，通常采用電阻、電容、電感等或將它們的串并聯組合來模擬實際負載情況，其缺點是負載占用較大的空間、精度差、形勢單一且負載大小不能進行連續調節。直流電子負載的基本原理是利用功率場效應管（MOS），絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等功率半導體電子元件吸收電能并消耗電能。依靠功率半導體器件作為載體，實現了負載參數可調的功能，具有體積小和很高的調節精度和穩定性，能很好地模擬實際的負載，在電源設備測試中得到了廣泛的應用。本文針對傳統負載的弊病，提出了以STC12C5A60S2微控制器為核心，盡可能通過軟件替代硬件，使其具有硬件結構簡單、功能強、控制靈活的特點。
1 系統整體方案設計
基于單片機控制的直流電子負載系統結構框如圖1所示：
圖1 單片機控制的系統結構框圖
本系統由以下部分組成：核心控制電路（單片機）、電子負載電路、采樣電路、LCD顯示電路和電源電路。
該系統方案的整體結構簡易明了，將恒壓電流、恒流電路有機的結合在了一起，并接入電子開關，操作時只需通過電子開關對模式進行手動切換，以STC12C5A60S2單片機為控制核心，通過程序實現恒壓恒流值的調節、端口電壓的采集及顯示等核心功能。硬件電路中含有的運算放大器具有很大的電源電壓抑制化，可以大大減小輸出端的紋波電壓。
2 硬件電路設計
本智能控制系統由以下部分組成：核心控制電路（單片機）、功率控制電路、采樣電路、運放比較電路、LCD顯示電路和電源電路。
2.1 核心控制電路設計
采用STC12C5A60S2單片機作為核心控制單元，STC12C5A60S2系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘、機器周期（1T）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代單片機。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S），包含8位A/D、D/A轉換功能，精確度高。通過軟件編程可以實現對電壓、電流預設置、A/D采樣比較、D/A輸出、LCD顯示等多種功能，并且電路簡單，控制效果好。
2.2 功率控制電路
選用N溝道增強型MOS管作為功率管。功率MOS管具有正溫度系數，當結溫升高時通態電阻增大，導通電阻小，自帶保護二極管，有自限流作用，噪聲系數小，所以功率MOS管熱穩定性好。
2.3 恒壓電路設計
選用運放OP07，該運放器是一種低噪聲，低輸入失調電，低輸入偏置電流，開環增益高，穩定度很高的雙極性運算放大器。在反饋電路中加入電阻，使得取樣電阻上的電流可以微調，實現輸出電流與理論值相同，大大提高了輸出電流的精度，又由于運放的同相輸入端的信號來自與數模轉換模塊的運放輸出，穩定度很高。
恒壓電路原理圖如圖2所示：
圖2 恒壓電路原理圖
選用運放OP07，將同相輸入端與輸出端采用正反饋電路，在反饋電路中加入電阻R2，R3與R4并聯實現分壓。使得取樣電阻上的電壓穩定，實現輸出電壓與理論值相同。又由于運放的反相輸入端的信號來自于單片機的輸出，穩定度與精度均很高。
2.4 恒流電路設計
選用運放OP07，該運放具有低噪聲特點，低輸入偏置電流，開環增益高，是穩定度很高的雙極性運算放大器。該方案優于以上兩個方案，故采用此方案。
恒流電路原理圖如圖3所示：
圖3 恒流電路原理圖
選用運放OP07，將反相輸入端與輸出端采用負反饋電路，運放的同相輸入端的信號來自于單片機的輸出，穩定度與精度均很高。圖5中輸出端取樣電阻為2歐大功率電阻，受熱情況下其阻值改變不大。通過單片機設定負載參數。測試點的電流恒滿足表達式：Itest=U/R1，其中U為采樣電壓。
2.5 LCD顯示電路設計
傳統設計方案：選用LED數碼管顯示，LED是筆劃顯示方式，雖然直觀性好，視角大，但是該方式只能顯示特定漢字和數字，若進行多位顯示，需要多個數碼管，功耗較大，體積大。
本設計方案：選用LCD12864液晶顯示，LCD是點陣式的顯示，可以有漢字、數字、波形等多種方式顯示，靈活性大，且同一界面可以同時顯示電壓、電流、功率等多種參數，并且功耗低，體積小。
2.6 電源電路設計
變壓器通過整流、濾波、穩壓產生所需電壓。圖4中電路提供的±15V，±12V電源主要用于運放電路，+5V電源用于單片機、液晶顯示、鍵盤。
3 系統軟件設計及流程
此設計使用低功耗單片機STC12C5A60S2，利用該單片機通過程序可以實現以下三個功能：
（1）設定恒壓、恒流運行模式及參數。通過鍵盤設定以步進方式設置預設值送給單片機，單片機通過 D/A（DAC0832）將數字量轉換成相應的模擬量輸出給硬件電路，以提供所需電壓，并在LCD液晶上顯示DA步進值。
（2）采樣輸出電壓、電流并在LCD液晶上顯示。單片機通過A/D（ADC0832）對等效負載的電壓和電流進行采樣，將采集回來的數值在單片機內部進行處理后送液晶屏進行電壓、電流的顯示。
（3）當電流大于3A時，單片機就會啟動過流提示，蜂鳴器發出報警信號，在恒流模式下減小DA輸出電壓以減小電路電流，實現過載保護。
系統程序流程圖如圖5所示。
【參考文獻】
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電源電路設計方案范文3
關鍵詞： TPS65105； TFT液晶屏； 供電電源方案； 電路設計
中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）18?0155?02
0 引 言
TPS65105 是一個混合式DC/DC變換器集成電路芯片。它專門為薄膜式晶體管（TFT）LCD顯示器供電而設計的，針對LCD的供電要求能夠提供三路輸出電壓[1?2]。該芯片內部輔助式線性穩壓器能夠從5 V的輸入電源中為供電系統提供3.3 V的總線電源電壓輸出。其內部的主輸出Vol是一個工作頻率高達1.6 MHz的固定頻率PWM升壓式DC/DC變壓器，它能夠為LCD顯示器的驅動源提供一個供電電壓[3]。該芯片內部還集成了一個具有不同功率開關電流極限值的DC/DC變換器控制器。TPS65105的功率開關電流極限典型值為2.3 A。集成在芯片內部的完整的電荷泵除輸出電壓可以調節以外，還可以為LCD正柵極驅動器提供2倍壓/3倍壓的輸出電壓[4]。同時內部提供一個負電荷泵控制器，能夠為LCD負柵極驅動器提供一路負電壓輸出[5?6]。由于電荷泵的開關頻率高達1.6 MHz因此所使用的電荷泵電容便可采用價格較低、體積較小的220 nF的電容。該系列芯片內部集成了一個為了能夠為LCD背光板提供供電電源的VCOM緩沖器，一個使用一個外部晶體功率管就能夠為數字電路提供3.3 V輸出電壓的線性穩壓器控制器[7]。為了絕對安全可靠的工作，該系列芯片還具有輸出過流、過熱和短路保護功能，也就是芯片的任何一路輸出出現過流、過熱或短路時，都會進入關閉模式[8]。該系列芯片還具有關閉模式外部控制、軟啟動和輸出電壓檢測等功能[9]。
1 主要性能
2 內部原理方框圖
3 電路原理圖設計
4 結 語
本文主要是研究TFT?LCD的電源設計，解決了TPS65105的上電時序的問題，經過長期連續的實驗和測試，其是一個穩定可靠的TFT液晶的電源設計方案。
參考文獻
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電源電路設計方案范文4
【關鍵詞】推挽電路 全橋逆變 正弦脈寬調制
1 前言
汽車已經是普遍交通工具，方便汽車生活的電器設備需要可靠的電源供電，車載儲能設備電壓一般為12V或24V，而用電設備一般需要220V/50HZ交流電源供電。因此，需要將12V低壓直流電變換為220V交流電?，F有產品大多為方波或準正弦波輸出，效率低，諧波含量高。因此，研究效率高、可靠性高的正弦波車載逆變器具有重要意義。
2 正弦波逆變器的結構
根據車載逆變器輸入和輸出的要求，逆變器的整體結構由兩部分組成，第一部分實現直流升壓功能，第二部分實現逆變功能。實現升壓和逆變功能的方案很多，但各有優缺點。
（1）DC-DC變換部分：Boost電路可以實現升壓，但升壓能力有限，輸入輸出沒有隔離，效率低；半橋變換器的等效輸入電壓為實際輸入電壓的一半，電壓利用率很低；全橋變換器所用器件多、控制復雜、成本高；推挽逆變加全橋整流電路升壓能力比boost電路強，輸入電壓利用率比半橋電路高，所用元器件比全橋電路少且控制電路相對簡單，同時實現了輸入輸出隔離。因此，本次設計采用推挽升壓加全橋整流的設計方案實現直流升壓。
（2）DC-AC變換部分：逆變部分一般采用全橋逆變電路，控制電路設計多種多樣，輸出電壓波形各不相同，采用模擬芯片如SG3524等可以得到方波輸出電壓，采用移相控制、多重結構等可實現準正弦波輸出，實現正弦波輸出常用方法是單片機控制，但電路復雜、成本高、可靠性差。此次設計采用集成控制芯片TDS2285，該芯片是一款專門用來制造高純正弦波逆變電源的控制芯片，它是用程序來產生SPWM波的，所以不需要基準源，也不需要調制電路，穩壓電路簡單，不用考慮相移補償。
3 具體電路設計
按上述設計方案，完成電路設計、參數計算及器件選型、變壓器制作等工作。
（1）推挽升壓電路設計。推挽升壓電路由推挽電路，升壓變壓器，高頻整流電路及TL494構成的控制電路組成。TL494控制電路如圖1所示。
推挽電路在每次電流回路中只有一個開關管，通態損耗較小，適于低電壓輸入場合。開關管根據功率及工作頻率要求選用功率MOSFET，通過參數計算選擇NEC4145。
變壓器設計是升壓電路的難點，首先根據電路參數要求選擇磁芯材料確定B，然后計算core的AP值，再查閱TDK數據手冊選用core。通過計算查表選擇ER35，材質選PC40；根據輸入輸出電壓值及占空比計算變壓器初級和次級的繞組匝數，根據功率要求計算電流大小，依據電流選擇導線直徑，初級6T加6T，導線用銅箔，次級選0.71線一根繞180T，變壓器制作過程中應注意絕緣設計。
高頻整流電路選用全橋結構，根據頻率要求整流器件選用超快恢復二極管SF28。
（2）全橋逆變電路設計。逆變電路采用全橋形式，根據電壓及電流要求，開關管選用IRPF460。其控制信號由逆變控制芯片TDS2285產生。為了防止逆變器發生“直通”現象，必須設置一段死區時間。用非門MM74HC04、與非門74HC00、RC微分電路構成死區電路設計。由于控制芯片輸出的SPWM脈沖波電壓值有限，不能直接驅動MOS開關管，同時為了防止主電路對控制電路的影響，它們之間必須進行隔離。
4 焊接和調試
PCB版圖制作焊接完成無誤后進行測試，測試分兩步進行，分別對前級DC-DC變換器和后級DC-AC變換器進行測試。
前級調試：在輸入端接一個15A的保險絲，后級功率電路的高壓保險絲不要安裝。把萬用表直流電壓檔接在高壓電解電容兩端，接電源，調試驅動電路的電位器，使高壓輸出在340-380V之間。
后級調試：調好前級后，在后級功率電路的高壓保險絲座上，裝上一個1A的保險絲，在高壓電解電容兩端接上一個60V左右的電壓，作為母線電壓，在AC輸出端加上適當電阻做負載，可以測到正弦波電壓大約在40V左右。
聯機：在前后級都正常的情況下，可以把前后級聯起來，完成整機調試。AC輸出端的負載去掉，接上示波器，調整SPWM驅動電路電位器，把它調在220V左右停下。
5 結論
通過以上分析、設計、制作和測試說明：前級采用TL494控制推挽升壓電路，后級采用TDS2285輸出SPWM信號控制全橋逆變電路，可以實現輸入直流12V到輸出交流220V正弦波的變換，輸出電壓基本穩定，效率基本達到要求。經實驗論證，該逆變電源穩定，性能可靠。
參考文獻
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電源電路設計方案范文5
1體積較小
伴隨著電子技術的發展，各種電子設備產品的集成化程度正逐漸提高。近年來，輸變電線路中所采用的在線監測設備體積極大的縮小，如果其供電電源的體積過大，不僅會帶來安裝與維護上的困難，而且兩者之間也不能很好的匹配。
2供電穩定、持續
一方面，為保證在線監測設備的正常、穩定運行，要求供電電源應具備足夠的輸出功率，電源的輸出電壓也應當穩定，輸出波動范圍小；另一方面，由于在線監測設備的功能，主要是對輸變電線路及設備的各種參數數據進行實時測定，因此必須保持電源供電的持續，不能間斷。
二、在線監測設備供電電源的主要取能方式的對比及選擇
目前，應用于在線監測設備供電電源的主要取能方式有：太陽能電池板取能、激光取能、超聲波取能、電流互感器取能等等。各種取能方式的基本應用原理及優缺點為：
1太陽能電池板取能
太陽能電池板取能，是利用光電轉換原理，將太陽的輻射光通過半導體軟件轉換為電能進行存儲的方式。由于太陽能電池板只在受光后方能發電，并不具有保持電能的能力，因此電源采用太陽能電池板時，通常還需要與蓄電池聯合供電。這種取能方式的優點是，實現了電源傳感部分的無源供能，不需要外接電源，且運行時不受電網電流大小的影響。而主要缺點是，在不受光時必須依靠蓄電池保持持續供電，因此蓄電池的使用壽命對供電的持續、可靠有著很大影響。然而目前市場中蓄電池的正常使用壽命普遍較短，對于野外工作的在線監測設備而言，經常性更換蓄電池也較為麻煩，因此這種取能方式的實際應用很少。
2激光取能
激光取能方式的基本應用原理是通過光纖將激光光源從低電位側傳送到高電位側，再由光電池將激光能量轉換為電能，以提供在線監測設備的穩定電能輸出。這種取能方式的主要優點是，每個設備都配備有一個光探測器裝置，能根據電流反饋控制激光發射器的光源輸出大小，從而保證了電能輸出的穩定，且具有噪聲低、電源波紋小的特點，不容易受到外界因素干擾。它的主要缺點是，目前我國光電技術的應用仍不成熟，而國外購買的光電器件普遍又造價偏高，且激光發生裝置如果在長時間大功率工作，容易出現老化現象而縮短使用壽命。
3超聲波取能
超聲波取能方式的應用原理是，利用超聲波振蕩裝置驅動與之連接的石英傳感器，使超聲波被轉換為電能。這種取能方式是一種無線輸能的方式，其主要優點是，超聲波在空氣中傳輸的損耗很小，且供能方式實現較為容易，因此近年來在軍事領域中的實際應用較為普遍。它的主要缺點是，一是接受天線的設計存在問題，尤其是天線放置方式和面積設計上容易對電源絕緣設計造成影響；二是超聲波的輸出，容易對附近變電站或其它電力設備的運行造成信號干擾問題。
4電流互感器取能
電流互感器取能的應用原理是，利用電流互感器從設備線路中感應電壓，并通過一系列整流、濾波、穩壓等處理方式后，提供給設備高壓側必要的供電電源。目前，我國電流互感器取能的技術應用及技術原理已較為成熟，在實際應用中具有成本低、設備結構簡單、易于實現等優點。它的主要缺點是，由于電流互感器的取能來自于設備母線，其工作狀態容易受到電網電流的影響。目前，在電流互感器取能實際應用時，應著重解決以下兩方面問題：一是解決當母線電流處于小電流狀態或空載狀態時，如何持續保證電源的供應；二是解決當母線電流處于大電流狀態或超短路電流狀態時，如果給電源板以充足的保護。綜合各種取能方式的優缺點和技術應用的成熟度，在本文中提出了利用電流互感器取能以解決設備供電電源的設計方案，同時還設計了鋰離子電池組進行協同供電，作為供能不足時的備用電源，有效保證了電源的持續、穩定供應。
三、供電電源取能系統的設計方案分析
1設計方案原理
本文采用的是一種利用電流互感器取能和鋰離子電池組協同供電的設計方案。電流互感器能隨著設備母線一次電流的變化，感應出對應的交流電動勢，并通過一系列整流、濾波、穩壓等處理方式后，將其轉換為可靠的直流電源。為避免母線電流處于大電流狀態或超短路電流狀態時，造成過壓危險，在設計中還接入了一個泄流保護電路。而鋰電池組則是作為一個穩定輸出的備用電源，它與充放電管理電路之間直接相連接即可。圖1即為該取能系統的結構示意圖。該取能系統主要由小型的雙線圈電流互感器、切換控制電路、繼電器、整流濾波電路、泄流保護電路、濾波穩壓電路以及鋰電池等幾個部分所組成。
2小型雙線圈電流互感器設計
本文采用的是小型的開口式雙線圈互感器設計，其開口鐵芯是從設備母線中獲取能量并傳輸能量的基礎媒介，因此鐵芯設計是整個系統設計的關鍵所在。對于開口鐵芯的基本設計要求為：在保證大功率電源提供的基礎上，盡可能減小一次啟動電流，并提高電流適用性的工作范圍寬度；為避免供電電源設計過大，開口鐵芯的尺寸與結構也不宜過大。經過綜合研究分析，本文中所設計的開口式雙線圈互感器，其一次電流的適用范圍在100A~1000A以內也能正常工作，正常輸出功率可達到2W以上。同時，為了盡量減少開口鐵芯的結構尺寸，并結合材料價格因素，最終選擇硅鋼片作為鐵芯材料，它的飽和磁感應強度相比普遍材料更高，在相同條件下所得到的最大輸出功率以及最大電壓也更大，且價格成本也較為低廉。
3整流濾波電路、穩壓電路設計
雙線圈電流互感器，在母線中感應出對應的交流電動勢，需要通過一系列整流、濾波、穩壓處理，方能轉變為在線監測設備所能使用的直流電源。因此在該取能系統中設計有整流濾波電路和穩壓電路。整流濾波電路主要作用是對電流互感器的二次電壓，進行整理和濾波處理以實現初步穩壓。其主要設計要點有：一是要保證整流二極管的反向耐壓值應足夠大，導通壓降應足夠小，從而盡量減少整流二極管的損耗；二是要保證濾波電感的直流電阻應當較小，以盡量減少電路的損耗；三是應保證濾波電容具備較大的容量，大容量電感不僅能存儲更多的能量，而且能有效避免繼電器開斷過程中二次電壓不足的問題。
4泄流保護電路設計
由于開口式雙線圈的一次電流適用范圍較大，通過設計泄流保護電路，可以有效避免母線電流處于大電流狀態或超短路電流狀態時，所造成的過壓危險。本文所設計的泄流保護電路，它與開口鐵芯是直接串聯，但感應電流的方向是相反的，從而起到部分抵消開口鐵芯磁通的作用。在線路連接之間還設置有一個連接開關，以決定泄流保護電路是否工作。當運行時一次電流較小，泄流保護電路處于斷開狀態；當一次電流較大時則開關閉合，泄流保護電路開始動作，起到去磁保護作用。
5鋰電池組及充放電電路設計
鋰電池作為一種可循環充電、放電的電池，具有使用壽命長，充放電電流穩定的特點，適宜作為一個穩定輸出的備用電源，它與充放電管理電路之間直接相連接。在實際應用中，單節鋰電池的工作電壓為4.2V左右，為保證足夠的電壓余量以確保電路的正常、穩定工作，在本文中設計了三節鋰電池串聯供電，其輸出電壓可達到12.6V左右，遠超出最低輸入電壓7V的標準，能完成滿足設計需要。
電源電路設計方案范文6
關鍵詞 能效監測；SOC；RN8316
中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）09-0015-03
能源作為世界發展和經濟增長最基本的驅動力，是人類賴以生存的基礎。但隨著人口的日益增加和能源的不斷消耗，能源匱乏問題日益突出。電力作為重要的能源形式，在終端能源消費中所占比重不斷增大，因此，建設更加安全、可靠、環保、經濟的電力系統，不僅能在很大程度上化解資源、環境和投資壓力，而且還將帶來巨大的節電效益、經濟效益、環境效益和社會效益[1-2]。國內外研究和實踐證明，通過實施需求側管理、用能服務及能效監測，可以優化終端用戶用電方式、緩解電力供需的矛盾和提高系統可靠性、減緩電網設施的投資壓力、提高耗能企業的能源利用水平、減少能源的消耗、提高能源利用率、緩解能源的供需矛盾[3]。
隨著微電子技術和設計制造技術的發展，集成電路設計從晶體管的集成發展到邏輯門的集成，現在又發展到IP（Intellectual Property）的集成，即片上系統SOC（System-On-Chip）[4-6]。與單功能芯片相比，SOC芯片具有集成度高、體積小、印制電路板（PCB）空間占用少、功耗低、抗電磁干擾能力強、可靠性高、成本低等優勢。同時，可以有效地降低電子、信息系統產品的開發成本，縮短開發周期，提高產品的競爭力[7]。
1 RN8316（SOC）簡介
圖1 RN8316系統框圖
RN8316是深圳銳能微公司提供的一款低功耗、高性能、寬電壓、高集成度、高精度的三相MCU芯片，產品系統框圖如圖1所示。該產品內嵌32位ARM Cortex-M0核，最高運行頻率可達29.4812MHz，最大支持224Kbytes FLASH存儲器、16Kbytes SRAM和16Kbytes EEPROM，內置單cycle乘法器（32bit*32bit）、CM0內嵌系統定時器、2個DMA控制器，支持外部中斷等多種喚醒方式，提供完善的集成開發軟硬件環境。該芯片支持高速GPIO，可與不同電壓外設器件連接，最大支持10位ADC，8*32位的LCD，支持芯片電源電壓及外部電壓檢測。通信接口最大支持6路UART，2個7816口，1路I2C和1路SPI。同時，RN8316還集成了RTC、看門狗和加密處理器。
2 硬件電路設計
電力能效監測終端主要由電源模塊、計量單元、存儲單元、載波模塊、通信模塊、直流模擬量采集等部分組成。系統的結構框圖如圖2所示。
圖2 電力能效監測終端設計框圖
2.1 電源模塊設計
為保證終端能夠穩定工作，并具有良好的電磁兼容特性，電源模塊采用三路電源供電，分別為主電源8 V、兩路12 V輔助電源，之間相互隔離。主電源VDD8V通過LDO降為VDD5V和VDD3.3V電源，主電源5 V為SOC、紅外、電能質量監測模塊供電，主電源3.3V給計量芯片供電。一路ZB12V輔助電源用于載波電路供電；另一路AUX12V輔助電源為遙信電路供電，同時通過LDO降為AUX5V，為RS485、直流模擬量電路供電。電源電路設計如圖3所示。
2.2 采樣計量單元
采樣計量單元是電力能效監測終端的重要單元，設計中采用銳能微公司的RN8302計量芯片來實現對電壓、電流、功率、功率因數、諧波等數據的計量，并輸出有功、無功脈沖。RN8302占用SOC一路SPI，同時SOC配置中斷、復位口從而能夠實現對計量芯片的控制和通信。RN8302管腳資源配置如圖4所示。
圖4 RN8302管腳資源配置
采樣電路中，考慮到生產成本和計量精度，電壓采樣采用電阻分壓采樣的方式，UA/UAN，UB/UBN，UC/UCN為采樣信號，而電流采樣采用電流互感器采樣的方式，IAP/IAN，IBP/IBN，ICP/ICN為采樣信號，電路圖分別如圖5和圖6所示，電壓采樣電路中的1K電阻和電流采樣電路中的5R電阻采用精度1%的精密電阻，電容用于去耦和濾波，以保障采樣精度。同時電壓采樣信號可用于電能質量的監測，擴展電力能效監測終端的功能配置。
圖5 電壓采樣電路
圖6 電流采樣電路
2.3 遙信電路
電力能效監測終端配置兩路遙信端口，使用光耦LVT-816同SOC進行隔離。遙信電路原理圖如圖7所示。
圖7 遙信電路
2.4 RS485電路
在實際工程運用中，由于受到工程人員操作能力，經驗等因素的影響，RS485的A、B端子常常接反，導致不能夠正常抄表。因此，在電力能效監測終端RS485電路的設計中，采用了無極性485芯片ECH485NE，A、B端子正反接都能夠正常通信。終端配置兩路RS485電路，分別用于抄表和維護，占用SOC兩路UART端口，485芯片用光耦同SOC進行隔離。RS485電路如圖8所示。
2.5 直流模擬量電路
直流模擬量電路主要針對非電氣量的采集，該能效終端采用瑞薩電子的RL78/G13系列單片機進行控制，SOC通過一路UART端口進行通信，并配置復位腳進行控制。直流模擬量電路通過光耦同主電路進行隔離，終端配置了兩路信號的采集，拓展了數據的采集范圍，實現了采集和能效監測的多樣化。直流模擬量采集電路圖如圖9所示。
2.6 載波電路
電力能效監測終端的載波用于同能效采集服務器進行通信，載波電路占用SOC一路UART端口用于收發數據，占用一路7816口實現載波的設置、復位、事件輸出等功能，并通過光耦同SOC進行隔離，接口標準符合最新國網三相電表規范，可方便插拔和替換多個廠家的載波模塊，提升了產品的兼容性。載波電路如圖10所示。
3 結束語
本文在智能用電及能效管理的基礎上，根據電力能效監測終端技術標準，采用SOC芯片RN8316，進行了硬件的設計。相對于傳統的基于獨立功能芯片的用電終端，基于SOC的電力能效監測終端在功耗，穩定性，可靠性等方面表現更加優異，并且體積小，所用元器件少，生產成本較低，具有良好的市場前景。
參考文獻
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