3KVA电源模块通信电路的原理分析

3KVA 电源模块通信电路的原理分析

和群辉、李劼、张宏斌

云南省广播电视局迪庆实验台

摘要

3KVA电源模块的通信电路主要实现对电源模块的通信、监测以及模块电压、电流的输出控制。可以根据上位机指令实现远程对电源模块进行开机、关机控制，对电源模块输出电压以及电流进行给定，可以准确监测电源模块的工作状态信息，并将工作状态信息通过RS485串口输出。电源模块的工作状态信息包括：电源模块工作电压、电源模块工作电流、电源模块告警信息（输出过压报警、输出欠压报警、温度报警、过流报警、限流报警）。电源模块的通信电路包含DC-DC电路、AVR单片机、电压跟随电路、ADC电路以及RS485通信电路。

关键词：单片机、电压跟随、ADC、通信

1 DC-DC电路

DC-DC电路主要是通过集成电路L7805将+15VDC直流电压转换成+5VDC直流电压给单板上的各芯片供电，再通过集成电路ADR421将+5VDC直流电压转成+2.5VDC直流电压给到AVR单片机和ADC电路做ADC采集参考电压。DC-DC电路原理如图2所示。

图2 DC-DC电路原理图

集成电路L7805为常见的三端稳压集成电路，只有三个引脚分别为输入端、输出端和接地端。

ADR421为超精密、第二代外加离子注入场效应管(XFET)基准电压源，具有低噪声、高精度和出色的长期稳定特性。利用温度漂移曲率校正专利技术和XFET技术，可以使电压随温度变化的非线性度降至最小。XFET架构能够为带隙基准电压源提供出色的精度和热滞性能。与嵌入式齐纳二极管基准电压源相比，还能以更低的功耗和更小的电源裕量工作。ADR421具有出色的噪声性能、稳定性和精度，非常适合光纤网络和医疗设备等精密转换应用。此外还可利用其调整引脚，在±0.5%范围内调整输出电压，其它性能则不受影响。由于ADR421的低噪声输出特性以及稳定性，该集成电路特别适合作为ADC采集电路的基准参考电压。

2 电压跟随电路

电压跟随电路主要是通过运算放大器LM2904来实现，通过电路的缓冲作用增大该路信号的带载能力，即无论电压跟随电路后续电路的负载如何变化均不会对该电压信号造成影响，本电路中主要是将电流采样信号、电压采样信号以及ADC电路输出的电压给定信号、电流给定信号通过电压跟随电路后可以更稳定地输出到后续电路，如图3所示。

图3 电压跟随电路

电压跟随电路是共集电极电路，信号从基极输入，射极输出，故又称射极输出器。基极电压与集电极电压相位相同，即输入电压与输出电压相同。这一电路的主要特点是：高输入电阻、低输出电阻、电压增益近似为1，所以叫做电压跟随电路。电压跟随电路是一个深度电压串联负反馈电路，因此具有运算精度高、输入电阻大、输出电阻小的特点，它不仅能将输入信号真实地传输给负载，而且向信号源索取的电流极小，在电路中常用作缓冲级。

3 AVR单片机电路

AVR单片机电路主要是采用ATmega16A型号单片机，通过单片机编程实现对ADC电路的输出控制进而对电源模块的输出电压和电流进行设定、对电压和电流采样信号的采集进而实现电源模块电压和电流的监测和限值告警，通过单片机编程实现与RS485电路的通信，进而可以与外部控制终端进行电源模块的数据通信以及远程的开关电源。通过单片机的I/O口实现对过压、过流、限流、温度等告警信号的监测并根据告警信号做出相应的处理。AVR单片机电路如图4所示。

图4 AVR单片机电路

ATmega16A单片机是一种低功耗微CMOS 8-bit控制器，基于AVR的加强型RISC架构。通过在一个时钟周期内执行强大的指令，ATMega16A的吞吐量接近每MHz 1 MIPS，使系统设计者能够优化功耗和处理速度。

4 ADC电路

ADC电路主要是通过集成电路TLV5618来实现，将单片机给过来的数字信号转换成模拟直流电压，该模拟直流电压的大小由单片机通过串行数字信号进行控制从而实现为控制板提供电压给定信号和电流给定信号，ADC电路如图5所示。

图5 ADC电路

5 RS485通信电路

RS485通信电路主要是通过RSM485隔离收发器实现，RSM485收发器将AVR单片机的RS232串口接口转换成RS485接口，大大增加了信号传输距离和抗干扰能力。

图6 RS485通信电路

6通信接口协议

电源模块设有输入过、欠压、输出过、欠压、过流、过温等保护，以确保电源运行安全。电源工作状态信息能有效指示电源工作状态，及电流输出情况。在发生相应的故障时RS485串口会发送对应的报警信息，方便维修人员定位故障，进行快速检修。

为了能更好的实现上位机与电源模块通信板之间的通信，制定了此通信协议。

6.1电气约定

本协议采用两线RS485传输，上位机与电源模块的通信板之间波特率为2400bps,8位数据位，1位停止位，无校验位，无流控。协议中ZX为报文头，hh为协议异或校验结果（此处报文头ZX字符不参与异或校验），为回车符，为换行符。

6.2通信接口协议

6.2.1模块复位命令

该指令为：ZX7,X*hh。

X = 1 电源模块复位；

电源模块复位

该指令固定为：ZX7,1*2A。

复位电源模块的所有状态到初始值。

此命令需要回复OK应答。

6.2.2电源模块状态返回的命令

该指令为：ZX8,X*hh。

X = 1 电源模块的报警信息；

X = 2 电源模块的状态信息；

6.2.2.1电源模块的报警信息

该指令为：ZX8,1,X1Y1Z1, X2Y2Z2*hh。

其中

X1=1表示输出过流报警；

Y1=1表示输出欠压报警，Y1=2表示输出过压报警；

Z1=1表示输入欠压报警，Z1=2表示输入过压报警；

X2=1表示模块过温报警；

Y2=1表示模块通讯故障报警；

Z2=1表示模块输出故障报警；

此命令需要回复OK响应，否则每隔500ms发送一次报警信息，发送5次后停止发送。

模块发生故障：1）关闭故障模块；2）报模块故障；

6.2.2.2 电源模块的工作状态

该指令为：ZX8,2,XXXX,ZZZ*hh。

XXXX表示电流，取值0000～9999，表示0.0～999.9A；

ZZZ表示输出电压值，取值000～999，表示0.0～99.9V；

此命令1秒钟发送一次，无需回复OK应答，当返回值XXXX=0000，ZZZ=000表示电源模块处于关机状态。

6.2.3 电源模块开关机命令

开机命令：ZX1,0,xxx,yyy*hh/r/n 返回OK。

xxx：电压给定，如xxx=480即电压给定为48.0V

yyy：电流给定，如yyy=050即电流给定为50A

关机命令：ZX1,1,000,000*2C/r/n

关机后返回一条指令：ZX8,2,0000,000*16

参考文献

【1】ZX-2kW-Ⅱ型短波发射机使用说明书.广州.2018