胥建鵬

（東莞理工學院城市學院，廣東 東莞 523419）

1 通信開關電源技術概述

1.1 通信開關電源基本結構

開關電源的基本原理是通過功率來進行開關的周期性閉合和打開，進而實現高效的通信，具體電路框架如圖1所示。

圖1 開關電源電路框架圖

其中，DC/DC功率變換器是開關電源結構的重要組成部分，放大器電路的主要原理是采集信號，并和預先設置的電壓數值進行對比，經放大誤差處理后，驅動開關控制模塊實現電壓的穩(wěn)定輸出。

1.2 拓撲結構

開關電源的回路模塊是功率電流回路的組成部分。主回路拓撲模塊一般包括功率開關模塊、儲能器模塊、脈沖變壓模塊、整流模塊及濾波模塊等[1-2]。

降壓拓撲裝置通過控制輸出電壓量來實現單管非隔離直流變換，其電路主要包括開關Q、續(xù)流二極管D、濾波電感以及濾波電容等。

升壓拓撲裝置通過控制輸出電壓高于輸入電壓來實現單管非隔離直流變換，其電路主要包括開關Q、續(xù)流二極管D、濾波電感以及濾波電容等。

升降壓拓撲模塊是通過Buck和Boost變換模塊連接構成內部架構，升壓拓撲裝置大同小異。

隔離式拓撲模塊的輸入回路和輸出回路沒有直接相連，主要借助脈沖變壓器的磁耦合來進行電氣回路的運行。

2 系統(tǒng)方案設計

系統(tǒng)的通信電源系統(tǒng)方案設計主要包括兩部分。（1）部分移相拓撲電路的主回路設計，包括EMI電路、抗浪涌電路、濾波電路及軟開關等電路模塊。（2）基于FPGA數字自動控制器設計，包括電壓電流采樣電路、ADC轉換電路及報警顯示電路等[3]。

該數字開關電源的設計技術指標及設計要求具體如下。輸出功率為6 kW，容許一分鐘過載130%；輸入電壓為3/N/PE，380 V/50 Hz；輸出電壓為0～240 VDC程控可調；輸出紋波小于5%；效率大于90%；開關頻率為60 kHz，需具有數字通信接口。

系統(tǒng)主回路環(huán)節(jié)中，EMI電路主要作用是借助電磁信號對電網和電源進行干擾，防止電解電容的負荷為零，進而限制開機瞬間的抗浪涌電流。如果不能控制電流大小，那么開機瞬間的大電流就會損壞電器元件。

對于采樣及自動控制環(huán)節(jié)，自動控制是建立在FPGA電路基礎上的。采樣電路對輸出電壓和電流進行采樣后，并對其進行ADC轉化；FPGA可接收經ADC轉化后的數字電壓和電流信號，利用數字PID算法對誤差量e(t)進行計算，并利用內部硬核將PWM信號輸出；此過程中，FPGA控制器還可對每個周期進行過流和過壓保護。因此，只有增大PWM的信號功率，才能使開關正常運行。

外部通信環(huán)節(jié)包括顯示和上位軟件兩部分。其中，FPGA可將輸出電壓和電流等信息通過通信口送至外部顯示屏，從而將這些信號展示在顯示屏上；上位軟件具有監(jiān)控和調節(jié)功能，所以輸出電壓和電流等信息不僅會被上位軟件實時監(jiān)控，而且輸出電壓還可通過上位軟件進行自我設定。

3 基于FPGA閉環(huán)自動控制器電路設計

3.1 整體電路設計

傳統(tǒng)模擬通信電源控制電壓系統(tǒng)是通過集成控制芯片來進行控制模擬。由于該方式內部嵌套的電子元器件涉及數量較多，造成控制參量不能進行實時更改和修正等。因此，本文設計了基于FPGA技術的數字控制方案[4]。

本文的電路控制方式優(yōu)勢是控制回路簡單、控制算法兼容性好及可復制性程度高，因此可最大程度地提高控制系統(tǒng)的適用性。此外，DC還可實現通信電源的在線監(jiān)控功能。

3.2 控制板供電電路

考慮到FPGA控制板電路結構較為復雜，供電電源種類較多，為保證整個回路電壓的穩(wěn)定，本文根據ADC轉換和電流電壓采樣電路等不同的電壓需求來進行控制板電源模塊電路設計。

考慮電壓模塊中輸出和輸入存在較大壓力差，為提高電源控制系統(tǒng)的可靠性，本文采用BUCK拓撲開關電源作為前級降壓芯片。此外，為降低系統(tǒng)電源噪聲，提高系統(tǒng)的穩(wěn)壓性，本文采用Analog公司生產的AD574。但該芯片的供電電源需達到2 V，因此需要一個單電源輸入，以保證供電電源模塊的正常運行。

3.3 電壓電流采樣電路

本設計采用10 V的輸入通道，極大地降低了采樣電壓。全橋變換器的主回電路中，輸出電壓處串聯了兩個電阻，分別是800 kΩ和30 kΩ，30 kΩ的電阻直接決定了采樣電壓。當開關電源的輸出電壓達到240 V時，輸出開關電源的輸出電壓處于最大狀態(tài)，此時采樣電壓的數值為8.67 V，在AD芯片的輸入電壓范圍內。

設計電源控制系統(tǒng)時需對電壓信號進行低通濾波處理，本文結合實際情況，采用二階型RC低通濾波器進行濾波，具體如圖2所示。其中，U4A和U4B屬于電壓跟隨器，由運算放大器LM358組成，在電路中的作用是匹配阻值。

圖2 電壓采樣電路

3.4 串口通信電路

數字開關中，通信功能必不可少，可保障數字電源的遠程在線監(jiān)控。因此，本文設計采用的是串口通信方式，可極大地降低設計成本。此外，由于串口在電路設計中的兼容性非常好，被廣泛應用于低速通信。本設計采用的是TTL轉232電平芯片，其中RS232的接口是J5。電平通過MAX232芯片進行轉換后，開關電源中的輸出電壓和電流等信息就可以通過FPGA與上位機進行通信，開關電源就可以得到上位機的遠程監(jiān)控。

3.5 ADC轉換電路

在數字開關電源中安裝具有高速和高分辨特點的AD芯片，不僅可有效保障電壓的精確度，而且可有效控制輸出電壓和電流采樣的精準度。為保障AD芯片的性能，設計中使用的是AD574。AD574是一種性價比非常高的轉換器，不僅精準度高、轉換速度快，而且可進行校準和通道檢測。AD574在電路中的工作運行非常簡單，僅需要部分外阻電器就能保障系統(tǒng)正常運轉。因此，AD574的使用可有效降低電路的設計難度。

4 結 論

通信電源是通信系統(tǒng)不可或缺的一部分。電源控制系統(tǒng)的性能和精度直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和維護成本。本文設計了數字電源控制的原理圖，并實現了對通信電源運行情況的遠程控制，減少了人力投入，節(jié)約了維護成本。此外，基于FPGA閉環(huán)控制電路的設計提高了通信電源的穩(wěn)定性和可靠性，優(yōu)勢明顯。