吳 林，宋金華，謝啟少，王 霞

(1.同方電子科技有限公司，江西 九江 332002； 2.九江市雙峰小學，江西 九江 332000)

0 引言

機載電壓浪涌發(fā)生器是用于機載用電設備進行電壓浪涌測試的平臺，針對GJB181-86[1]或GJB181A-2003[2]兩種浪涌電壓指標的測試[3]，在GJB181-86 中要求機載用電設備在輸入直流28 V正常工作時，承受過壓浪涌為80 V、脈寬50 ms、時間間隔為1 min，連續(xù)5次；欠壓浪涌為8 V、脈寬50 ms 、時間間隔為1 min，連續(xù)5次；在GJB181A-2003中要求機載用電設備在輸入直流28 V正常工作時，承受的過壓浪涌為50 V、脈寬50 ms、時間間隔為1 min，連續(xù)5次；欠壓浪涌為18 V、脈寬50 ms 、時間間隔為1 min，連續(xù)5次；設計的機載電壓浪涌發(fā)生器，采用兩路AC/DC電路和繼電器的靈活切換實現(xiàn)80 V、8 V、50 V、18 V種電壓浪涌輸出，同時通過8051f330實現(xiàn)浪涌電壓的脈沖寬及脈沖間隔等控制、實現(xiàn)工作狀態(tài)及試驗進程的顯示、輸入輸出異常的保護。

1 原理框圖

圖1為機載電壓浪涌發(fā)生器的原理框圖，在機載電壓浪涌發(fā)生器內(nèi)，主要包含兩路AC/DC模塊，EMI濾波器，輔助電源，微機單元，前面板(按鍵和指示燈)單元，脈沖輸出控制繼電器，串接并接控制電子開關。

圖1 機載電壓浪涌發(fā)生器內(nèi)部結構框圖

圖2為機載電壓浪涌發(fā)生器的前面板圖，通過前面板的按鍵，以及微機單元的程序控制，實現(xiàn)GJB181-86[1]或GJB181A-2003[2]兩種規(guī)格的浪涌電壓，并通過相應指示燈顯示其工作狀態(tài)。

圖2 機載電壓浪涌發(fā)生器前面板圖

2 硬件設計

2.1 性能指標

1)電源適應性：交流176～264 V，頻率：50±3 Hz。

2)電源輸出：28 V。

3)浪涌輸出：過壓浪涌80 V/50 ms、50 V/50 ms ；欠壓浪涌8 V/50 ms、18 V/50 ms 。

4)電流輸出：最大20 A。

5)保護：輸入過壓、欠壓保護；輸出過流、短路保護。

2.2 AC/DC電路設計

兩路AC/DC電源模塊都采用了相同的全橋移相軟開關電源電路，就是通過增加的一個諧振網(wǎng)絡，使開關器件在零電壓時打開，在零電流狀態(tài)時關斷，從而實現(xiàn)軟開關，大大降低開關損耗，提高電源轉換效率吧。這樣就可降低開關損耗，從而提高電源效率。

如圖3所示，4個開關管(IRFP460)構成全橋電路結構；驅動芯片TC4427與驅動變壓器構成隔離驅動電路。

圖3 全橋移相功率開關關部分電路圖

如圖4所示，為全橋移向控制芯片UC3875電路，芯片的8、9腳及13、14腳輸出開關管控制信號。根據(jù)芯片3腳所接的反饋電壓來控制開關管方波信號的移相角來實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出(如5所示)。通過其5、6腳所接的比較器及整流電路來實現(xiàn)過流或短路保護，當有過流或其他故障時6腳電壓被拉低，電源輸出降低進行保護，當輸出有短路或其他故障時，比較器輸出一個高電平至UC3875的5腳，電源輸出關閉鎖死進行保護。

圖4 控制芯片UC3875電路

圖5 移相控制時序圖

AC/DC變換電路輸出端整流濾波電路如圖6所示。

圖6 輸出整流濾波電路

輸出整流管采用肖特基二極管，肖特基二極管有較小的管壓降，可以進一步提高電源轉換效率。儲能電感值的計算式為：L=(VL*Δt)/Δi;L為電感值，VL為電感電壓值，Δt為導通時間，Δi為導通時間內(nèi)電流的變化。濾波電容值的計算式為：C=(ΔI*ton)/ΔV,C為電容值，ΔI為導通時間內(nèi)電流的變化，Δt為導通時間，ΔV紋波電壓。

2.3 單片機8051F330電路設計

C8051F330是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU 芯片, 片內(nèi)有上電復位、VDD監(jiān)視器、時鐘振蕩器、可編程數(shù)字I/O和交叉開關(Crossbar) 、可編程計數(shù)器/ 定時器陣列(PCA) 、10 位高速ADC/ DAC、8 kB 可編程FLASH 存儲器, 768B片內(nèi)RAM, 具有高速度(MIPS) 、微型封裝(4 mm *4 mm), 且內(nèi)置溫度傳感器(±3℃), 且C8051F330是一個與8051 全兼容的內(nèi)核，其工作電壓為2.7～3.6 V。

如圖7所示，單片機8051F330的1腳懸空，2腳接地GND,3腳與3.3 V電源連接，4腳和5腳與JTAG口連接，6～10腳與前面板6個指示燈連接，11腳與前面板待機按鍵連接，12腳與前面板過/欠壓連接，13腳與前面板86/03標準按鍵連接，14腳與與前面板啟動按鍵連接，18腳與19腳分別與兩路AC/DC輸出連接，16腳與17腳可作串口調試用。

圖7 單片機電路及管腳配置

3 軟件設計

3.1 程序流程圖

圖8 程序流程圖

圖8為機載電壓浪涌發(fā)生器的程序流程圖，在程序框圖內(nèi)，微機單元首先判斷是GJB181-86還是GJB181A-2003測試標準，其次判斷是過壓還是欠壓測試，然后微機單元根據(jù)接受到的啟動按鍵命令信號，實現(xiàn)輸出對應規(guī)格的脈沖電壓，并連續(xù)5次輸出50 ms脈寬的脈沖電壓，最后當微機單元檢測到底5次脈沖電壓輸出完畢，程序自動關閉浪涌發(fā)生器工作，轉為待機狀態(tài)，整個工作進程中均以相應的指示燈顯示其狀態(tài)。

3.2 浪涌輸出控制

在不同標準及不同浪涌輸出情況下，兩路AC/DC電源電壓輸出不同的電壓值。

如表1及圖9所示，單片機通過控制V1、V2及K1、K2繼電器來實現(xiàn)不同的脈沖輸出。

表1 兩路AC/DC輸出電壓真值表

圖9 浪涌脈沖輸出控制電路

1)當按86標準輸出過壓脈沖時，K1繼電器吸合，B1、B2電源模塊處于串聯(lián)輸出模式。B1輸出電壓為52V，B2電源模塊輸出電壓為28 V。過壓浪涌試驗時設備輸出正常的28 V電壓(K2斷開，B2模塊供電)，當單片機輸出50 ms的浪涌脈沖時，該脈沖信號控制K2導通，則設備輸出相應的幅度為80 V脈寬為50 ms的過壓浪涌。

2)當按03標準輸出過壓脈沖時，K1繼電器斷開，B1模塊的負極通過該繼電器接地，B1、B2電源模塊處于并出模式。B1輸出電壓為50 V，B2電源模塊輸出電壓為28 V。過壓浪涌試驗時設備輸出正常的28 V電壓(K2斷開，B2模塊供電)，當單片機輸出50 ms的浪涌脈沖時，該脈沖信號控制K2導通，則設備輸出相應的幅度為50 V脈寬為50 ms的過壓浪涌。

3)當按86標準輸出過壓脈沖時，K1繼電器斷開，B1模塊的負極通過該繼電器接地，B1、B2電源模塊處于并出模式。B1輸出電壓為28 V，B2電源模塊輸出電壓為8 V。欠壓浪涌試驗時設備輸出正常的28 V電壓(K2吸合，B1模塊供電)，當單片機輸出50 ms的浪涌脈沖時，該脈沖信號控制K2斷開，則設備輸出相應的幅度為8 V脈寬為50 ms的欠壓浪涌。

4)當按03標準輸出過壓脈沖時，K1繼電器斷開，B1模塊的負極通過該繼電器接地，B1、B2電源模塊處于并出模式。B1輸出電壓為28 V，B2電源模塊輸出電壓為18 V。欠壓浪涌試驗時設備輸出正常的28 V電壓(K2吸合，B1模塊供電)，當單片機輸出50 ms的浪涌脈沖時，該脈沖信號控制K2斷開，則設備輸出相應的幅度為18 V脈寬為50 ms的欠壓浪涌。

3.3 AC/DC輸出電壓控制

如表1所示，通過控制信號V1、V2來控制B1、B2的不同輸出電壓。器輸出電壓控制電路如圖10所示。

圖10 B1模塊輸出電壓控制電路圖

如圖10、圖11所示，為B1和B2模塊的部分電壓反饋網(wǎng)絡電阻電路，通過單片機輸出的控制信號V1、V2的組合來改變相應模塊的電壓反饋電阻的對地阻值得到需要的輸出電壓。分壓電阻的取值依據(jù)公式：Vout=VREF×(R3+R并)/R并(其中VREF=5 V,R并=R4//R控制)。

圖11 B2模塊輸出電壓控制電路圖

3.4 脈沖輸出控制

浪涌電壓是由單片機輸出的相應脈沖信號控制輸出繼電器K2得到，脈沖信號時序如圖12所示。

圖12 脈沖信號時序圖序圖

如圖12所示，過壓浪涌脈沖信號時一個正脈沖信號，脈寬為50 ms，每兩個脈沖的時間間隔為1 min；欠壓浪涌脈沖信號時一個負脈沖信號，脈寬為50 ms，每兩個脈沖的時間間隔為1分鐘。

3.5 指示控制

當選擇好過壓或欠壓試驗項目時，對應的過壓/欠壓指示燈亮；當選擇好80 V/8 V或50 V/18 V標準時，由對應的指示燈進行指示。

在設備開機后單片機控制待機指示燈閃爍，表示設備下待機狀態(tài)下，試驗時按一下浪涌啟動按鍵；待機指示燈熄滅，同時第一個進程指示燈閃爍，表示即將輸出第一個浪涌脈沖；第一個浪涌脈沖輸出后，第一個進程指示燈常亮，同時第二個進程指示燈閃爍，表示即將輸出第二個浪涌脈沖，如此依次指示完5個浪涌脈沖輸出后再轉為待機狀態(tài)，5個進程指示燈熄滅，待機指示燈閃爍。

4 仿真與實驗

機載浪涌發(fā)生器proteus仿真電路如圖13所示，通過仿真可以驗證程序實現(xiàn)的功能，主要有工作狀態(tài)顯示、按鍵檢測與控制輸出電壓及工作異常的保護。

圖13 機載浪涌發(fā)生器控制程序proteus仿真圖

根據(jù)上述設計思想制作出的電壓浪涌發(fā)生器，可以對機載設備進行浪涌試驗，兩個AC/DC模塊的轉換效率分別約93%、92%，具有操作簡單，體積小重量輕等優(yōu)點。被測設備(500 W設備)的供電電源線接至浪涌發(fā)生器的輸出接線端，啟動測試，通過輸出波形分析，表明了浪涌發(fā)生器能夠滿足機載用電設備的浪涌電壓測試要求。其輸出電壓浪涌波形如圖14所示。

圖14 GJB 181-86標準測試過壓/欠壓浪涌波形圖

圖14是機載浪涌發(fā)生器按GJB 181-86標準測試的過壓/欠壓輸出浪涌波形圖，其中圖(a)是過壓浪涌波形圖，從圖中可以讀出浪涌電壓脈寬為50 ms,幅值為80 V；圖(b)是5次過壓浪涌實驗的整波形圖，從圖中可以讀出，一次試驗有5次過壓浪涌電壓發(fā)生，每相鄰兩次浪涌電壓間隔1 min，當?shù)?次浪涌電壓發(fā)生完成后，浪涌發(fā)生器自動進入待機狀態(tài)，并以待機指示燈顯示。

圖14(c)是欠壓浪涌波形圖，從圖中可以讀出浪涌電壓脈寬為50 ms,幅值為8 V；圖(d)是5次欠壓浪涌實驗的波形圖，從圖中可以讀出，一次試驗有5次過壓浪涌電壓發(fā)生，每相鄰兩次浪涌電壓間隔1 min。當?shù)?次浪涌電壓發(fā)生完成后，浪涌發(fā)生器自動進入待機狀態(tài)，并以待機指示燈顯示。

圖15是機載浪涌發(fā)生器按GJB 181-86標準測試的過壓/欠壓輸出浪涌波形圖，其中圖(a) 是過壓浪涌波形圖，從圖中可以讀出浪涌電壓脈寬為50 ms,幅值為50 V；圖(b)是5次過壓浪涌實驗的整波形圖，從圖中可以讀出，一次試驗有五次過壓浪涌電壓發(fā)生，每相鄰兩次浪涌電壓間隔1分鐘，當?shù)谖宕卫擞侩妷喊l(fā)生完成后，浪涌發(fā)生器自動進入待機狀態(tài)，并以待機指示燈顯示。

圖15(c)是欠壓浪涌波形圖，從圖中可以讀出浪涌電壓脈寬為50 ms,幅值為18 V；圖(d)是5次欠壓浪涌實驗的波形圖，從圖中可以讀出，一次試驗有5次過壓浪涌電壓發(fā)生，每相鄰兩次浪涌電壓間隔1 min。當?shù)?次浪涌電壓發(fā)生完成后，浪涌發(fā)生器自動進入待機狀態(tài)，并以待機指示燈顯示。

圖15 GJB181A-2003標準測試過壓/欠壓浪涌波形圖

5 結論

圍繞機載浪涌發(fā)生器硬件和軟件的工作原理進行介紹,首先對其硬件電路進行了設計，為了滿足GJB 181-86和GJB 181A-2003的標準，設計了兩路高效移相AC/DC變換電路，可以同時輸出兩種規(guī)格電壓，然后通過燒錄到微機單元中C8051f330的程序，能夠檢測到按鍵信號并通過I/O口輸出相應的控制信號，實現(xiàn)兩路AC/DC變換電路的串聯(lián)/并接，并通過脈沖輸出控制繼電器的閉合實現(xiàn)輸出所要求的脈沖電壓。通過proteus軟件對機載浪涌發(fā)生器的控制程序進行了仿真，對電路和程序的設計、調試等有重要參考價值。同時也根據(jù)浪涌發(fā)生器的設計原理制作了樣機，最后通過樣機加電調試，并測輸出波形，驗證了浪涌發(fā)生器能夠可以輸出滿足滿足GJB 181-86和GJB 181A-2003標準的電壓浪涌，即滿足機載用電設備對耐浪涌電壓的測試要求。