CAN总线电能质量监控器的电源设计-210469621

CAN总线电能质量监控器的电源设计佟为明，袁帅（哈尔滨工业大学电气工程系,黑龙江哈尔滨150001）摘要：为满足CAN总线电能质量监控器中各单元电路对多种等级电压的需求，在给出了装置的硬件结构的基础上，设计了由开关电源、DC/DC电源模块和稳压电源芯片组成的电源单元。为解决装置中3.3V和5V器件互相传输信号的问题，设计了电平转换电路。关键词：电能质量监测；多等级电压；电源模块；电平转换DesignofPowerforPowerqualitymonitoringdevicebasedonCANbusTONGWei-ming，YUANShuai(HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China)Abstract:Inordertosatisfythedemandformulti-gradevoltageoftheelementcircuitsinthePowerqualitymonitoringdevicebasedonCANbus,apowersupplyunitwhichconsistsoftheswitchingpowersupply,DC/DCpowermoduleandvoltage-stabilizedchipsisdesignedonthefoundationofthedevice’shardware.Theswitchingcircuitbetween3.3Vand5Velectricallevelsisdesignedfortransmittingsignaleachother.Keywords:powerqualitymonitoring；multi-gradevoltage；powermodule；level-translation引言现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一[1]。高质量的电能对于保证电网和电气设备安全、稳定、经济运行，提高产品质量和保障居民正常生活有着重要的意义。随着时代进步和科技的飞速发展，现代电网与负荷构成出现新的变化趋势，由此带来的电能质量问题越来越引起电力部门和电力用户的高度重视。一方面，冲击性负荷、非线性负荷使电网出现诸如谐波畸变、电压凹陷、电压闪变等较为严重的电能质量问题；另一方面，随着计算机技术和半导体技术的发展，以计算机和微处理器为核心的对电能质量扰动敏感的高自动化和高智能化的电子设备和精密工业对电能质量提出了越来越高的要求[2,3]，因此开发电能质量监测装置非常必要。电源系统是一个装置中最重要的部分之一，它对于提高产品的稳定性、可靠性至关重要。由于电能质量监测装置集测量、计算、控制、通信等功能于一体，因此普遍存在多种等级电压共存、电源之间需要隔离和电平转换的问题。现有的文献大多侧重于介绍电能质量监测装置的功能，对电源问题没有详细阐述[4,5,6]。本文重点分析了CAN总线电能质量监控器内各单元电路对电源的需求，并从外围电路芯片和元器件参数的选择考虑，设计了由开关电源、DC/DC电源模块和稳压电源芯片组成的电源系统。同时，为解决3.3V和5V器件之间的信号电平连接的问题，设计了电平转换电路。实际运行情况表明，该电源系统和电平转换电路能保证各单元电路稳定、可靠的工作。1装置硬件结构介绍本装置是集测量、控制、通信和显示为一体的智能仪表。其硬件主要由CPU单元、存储器单元、信号采集单元、CAN通信单元、人机接口单元、遥信/遥控单元等6个单元组成。图1所示为该装置的硬件结构框图。本电能质量装置采用双CPU＋双口RAM结构。两个CPU分别选择DSP（DigitalSignalProcessor）和ARM（AdvancedRISCMachines）。DSP主要用于电力信号采集、基本电力参数计算、电能质量参数计算与分析，此外还要实现事件记录、故障报警、遥控/遥信等功能。ARM主要用于实现电力参数显示、网络通信（CAN和RS-485）、键盘操作等。DSP芯片选用TI公司的TMS320F2812，利用其运算速度快、擅长数字信号处理的优点进行数据采集、计算，并在发生异常情况时进行事件记录和录波。ARM选用Samsung公司的S3C44B0X，利用其丰富的内部资源完成人机接口与通信功能。双口RAM用于双CPU间的高速数据交换，采用IDT公司的IDT70V9289L7。网络化是智能仪表的发展方向，本装置提供了CAN总线接口。通过CAN总线，该装置（从站）可以向上位机（主站）实时地传送监测数据和报警信息，同时也可接收上位机的配置信息和控制命令。CAN通信单元主要由独立CAN控制器SJA1000和CAN收发器PCA82C250构成。DARAM存储器存储器液晶显示CPLD遥信输入电流电压DSPARM信号调理A/D键盘CAN接口遥控输出遥信/遥控单元输入/输出单元CPU单元存储器单元信号采集单元CAN通信单元图1硬件结构框图2电源设计2.1电源配置的分析本CAN总线电能质量监控器的电源系统比较复杂，电源配置如图2所示。本装置需要为继电器提供+24V电压，为AD芯片和运放芯片提供+12V和-12V电压，为液晶模块、CAN控制器和AD芯片提供+5V电压，为大多数芯片提供+3.3V电压，为DSP提供+1.8V电压，为ARM提供+2.5V电压，除此之外，还需为CAN接口和RS-485接口提供隔离的+5V电压。因此，选用开关电源、DC/DC电源模块和稳压电源芯片共同组成所需的电源单元。对于电源模块的选择应从3个方面来考虑：（1）额定输入电压及输入电压范围；（2）所需的额定输出电压；（3）输出功率。在确定了电源模块的输入、输出电压后，计算出额定负载时所需的功率，从可靠性的角度考虑，实际负载为额定负载的60%~80%比较合适。2.2电源模块的选型首先是开关电源的选择，根据实际情况，我们需要输入电压交流220V，输出电压直流24V和5V，并且24V和5V之间是隔离的开关电源模块。根据测算，本装置中彩色液晶模块所需额定功率为4W左右，其它电路总共需要的功率约为2W。因此，我们选取了德创公司的BJ1002型开关电源模块，它的最大功率为9.8W，输出+24V和+5V。此外，选用了深圳安时捷公司生产的隔离稳压输出的DC/DC电源模块HDW5-24D12和HDW3-24S05。通过HDW5-24D12将开关电源输出的24V电压转换得到+12V和-12V电压，给AD芯片和运放芯片供电；通过HDW3-24S05将24V电压转换得到+5V电压，给CAN总线接口和RS-485接口供电。这个5V电源与开关电源提供的5V是隔离，这样能有效的防止因总线上的电压瞬变给其它单元电路造成的损害。本装置的大多数芯片工作在+3.3V电压下，DSP芯片的内核工作电压为+1.8V，ARM芯片的内核工作电压为+2.5V。因此，选用了TI公司生产的低压差稳压电源芯片TPS767D318和TPS767D325，它们能提供最大1A的电流，足以满足所有单元电路的需求。其中TPS767D318电源芯片实现+5V电平到+3.3V和+1.8V电平的转换；TPS767D325电源芯片实现+5V电平到+3.3V和+2.5V电平的转换。该电源芯片与开关电源输出的+5V是共地的。开关电源+24V+5VaDC/DC电源模块+5Vb+12VGND+24VGND+5VbGND+5Va-12VGND+5Va稳压电源芯片GND+5VaGND+5Va+3.3V+2.5V+1.8V继电器CAN接口ARMDSP双口RAMCPLDRS-485接口液晶模块存储器键盘AD运算放大器DC/DC电源模块稳压电源芯片CAN控制器~220V图2电源配置示意图3电平转换电路由于本电能质量监控器的硬件电路中，并不是所有芯片的工作电压都是+3.3V，也有的芯片的工作电压为+5V，不同逻辑标准的电平一般不能直接接口。而且即使3.3V器件具有5V容限，为了系统的稳定最好还是经过电平转换后再连接。因此，选用了双电压供电的电平转换芯片SN74ALVC4245，它提供8路+3.3V和+5V的电平转换，允许从低到高（A到B）或高到低（B到A）的转换，能保证两边端口的输出都能达到满电源幅值，并且具有很好的噪声抑制性能。电平转换电路示意图如图3所示。B8B7A7A83.3V器件......B1A1SN74ALVC42455V器件VccBVccA+3.3V+5V图33.3V－5V电平转换电路示意图4结论1．在设计CAN总线电能质量监控器的电源单元时充分考虑了输入电压的范围、输出电压的等级、所需的额定功率和哪些电源需要隔离，选用开关电源、DC/DC电源模块和稳压电源芯片共同提供所需的电源。实际运行情况表明，此设计对电源配置合理，而且所选择的电源模块能保证装置稳定工作。2．为解决装置中3.3V和5V器件互相传输信号的问题，设计了电平转换电路，能保证数字逻辑器件接口安全可靠。参考文献：[1]全国电压电流等级和频率标准技术委员会．电压电流频率和电能质量国家标准应用手册[M]．北京：中国电力出版社，2001．[2]McGranaghan,M．Trendsinpowerqualitymonitoring[J]．IEEEPowerEngineeringReview，2001，121(10)：3-9．[3]林海雪．现代电能质量的基本问题[J]．电网技术，2001，25（10）：5-12．[4]贺建闽，黄治清．电能质量远程在线实时监测系统研究[J]．铁道学报，2003，25(4)：41-45．[5]潘晓杰，刘涤尘，邹江峰．基于DSP的电能质量在线监测装置[J]．高电压技术，2005，31(12)：73-75．[6]段成刚，欧阳森，宋政湘，等．新型在线实时电能质量监测设备的设计[J]．电网技术，2004，28(2)：61-63．作者简介：佟为明（1964—），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为电能质量监控技术、继电保护与电磁兼容技术、现场总线技术、配电网自动化/变电站自动化、永磁电器。哈尔滨工业大学电气工程系，电话：[phone]，E-mail：[e-mail]；