于亞雄，邱小波，楊銘軒

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司檢修試驗(yàn)分公司，廣東廣州，511400）

0 前言

電力生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)用到各種儀器儀表，而儀器儀表乃至個(gè)別設(shè)備的使用均需要外加電源進(jìn)行供電后才能正常使用，經(jīng)常同時(shí)存在多個(gè)電源同時(shí)使用的情況，會(huì)導(dǎo)致諸多弊端產(chǎn)生[1]，無(wú)法可靠保證設(shè)備的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

本文針對(duì)工作過(guò)程中使用的絕大部分的交直流電源供電的設(shè)備及儀器儀表，研究提出一種高效復(fù)合化信號(hào)發(fā)生裝置。該裝置具備交直流電壓及電流信號(hào)輸出等多重功能，同時(shí)又兼具插孔式線纜盤的長(zhǎng)距離使用特點(diǎn)，解決了以往現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)電源和信號(hào)裝置共同存在的混亂局面，能有效提升現(xiàn)場(chǎng)工作效率及工作品質(zhì)，在總量業(yè)務(wù)恒定的格局下企業(yè)成本管控方式的研究上有實(shí)際價(jià)值，并有助于打通多重信號(hào)源的集中微型復(fù)合化研究路徑，為后續(xù)復(fù)雜類儀器儀表的多功能生產(chǎn)及應(yīng)用提供解決方案，在應(yīng)用研究方面具有較高的價(jià)值。

1 設(shè)備整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備整體架構(gòu)分為信號(hào)源、功率電源和主控系統(tǒng)三大部分。其中，功率模塊因?yàn)槭芸赜谥骺啬K，受控方式采用固態(tài)繼電器控制。功率模塊輸出存在多個(gè)輸出檔位，采用統(tǒng)一的輸入電壓48V可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，各個(gè)檔位通過(guò)各自的DC-DC電路獨(dú)立輸出，避免相互影響。具體見(jiàn)圖1所示。

圖1 設(shè)備整體框架

為了保證功率模塊安全可靠運(yùn)行，必須對(duì)功率模塊的輸出進(jìn)行監(jiān)控和采集，因此需要獨(dú)立的電壓和電流采集模塊，以及快速響應(yīng)的硬件保護(hù)電路[2]。

圖2 功率電源框圖

4-20mA信號(hào)發(fā)生器是獨(dú)立的一個(gè)電路模塊，主要用途就是產(chǎn)生4-20mA恒流源。3.5寸液晶和旋鈕、按鍵組成人機(jī)交互系統(tǒng)。

2 4-20mA信號(hào)源設(shè)計(jì)

采用DAC和恒流源發(fā)生器一起組成4-20mA信號(hào)發(fā)生器，其中DAC輸出程控電壓，恒流源發(fā)生器對(duì)DAC輸出的電壓進(jìn)行電壓-電流轉(zhuǎn)換，同時(shí)提供DAC的5V工作電壓。

3 功率電源輸出、采集、保護(hù)和切換

功率電源是設(shè)備的功率輸出部分，輸出電壓支持直流5/12/24/48/220V， 其 中12/24/48/220V可以進(jìn)行檔位切換，功率小于50W，5V為輔助的固定輸出，最大輸出電流2A。

3.1 電壓電流采集

3.1.1 分壓電阻和采樣電阻

設(shè)計(jì)分壓電阻的分壓比K為1000，增益G為12。

分壓電阻選擇0.1%精度的薄膜貼片電阻，溫漂系數(shù)25ppm/℃，封裝為200V耐壓的1206封裝。電流采集的思路是采樣電阻+放大器，采樣電阻為阻值0.075Ω，精度0.1%，功率2W的合金電阻。

3.1.2 隔離放大器

基于線性度和誤差的要求，采用來(lái)自TI半導(dǎo)體的隔離放大器AMC1200，其共模抑制比高達(dá)108dB，非線性誤差正常時(shí)僅為±-0.015%，自帶8倍增益，增益精度0.5%。

3.1.3 差分轉(zhuǎn)單端

差分輸入轉(zhuǎn)單端出電路采用儀表放大器完成AD623為核心[3]，可以通過(guò)外置增益設(shè)置電阻進(jìn)行1至1000的增益選擇，增益誤差典型值為0.35@ G＞ 1。并輸入端增加RC低通濾波器，可以降低高頻干擾信號(hào)。

3.2 DC-DC升降壓

采用Buck降壓和Boost升壓拓?fù)洌谳斎?8VDC的條件下輸出5/12/24/48/220VDC五個(gè)不同電壓，如圖3所示。

圖3 24V降壓和220V升壓電路

3.2.1 Buck升壓和降壓

5V/12V/24V的DC-DC采用開關(guān)降壓芯片TPS54360。具有集成型高側(cè) MOSFET的60V、3.5A 降壓穩(wěn)壓器，其寬開關(guān)頻率范圍可實(shí)現(xiàn)對(duì)效率或者外部組件尺寸的優(yōu)化[4]。220V輸出采用BOOST升壓拓?fù)?，具有高電壓、低?cè)、N溝道等特點(diǎn)。

3.3 過(guò)流保護(hù)和過(guò)/欠壓保護(hù)

本文采用硬件電路的方式實(shí)現(xiàn)過(guò)流、欠壓和過(guò)壓保護(hù)。

3.3.1 保護(hù)閾值參考電壓

保護(hù)閾值電壓電流存在多個(gè)檔位，但同一時(shí)間只使用一個(gè)參數(shù)，故采用參考源+分壓電阻+模擬開關(guān)切換的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。

因?yàn)楣β瘦敵龃嬖诙喾N電壓數(shù)值和多種電流閾值，保護(hù)電路需要在不同的輸出電壓選擇上，選擇不同的閾值范圍，選擇方式通過(guò)模擬開關(guān)進(jìn)行切換。

3.3.2 比較器電路

比較器電路是功率輸出保護(hù)電路的重要一環(huán)，電壓電流采集電壓通過(guò)比較器和預(yù)設(shè)的閾值電壓進(jìn)行比較，若采集值超出范圍，比較器輸出狀態(tài)反轉(zhuǎn)。

電流保護(hù)采用遲滯比較器，電壓保護(hù)采用窗口比較器，比較器芯片采用經(jīng)典的LM393。

3.4 安全切換

多檔位輸出的核心是需要在設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的檔位切換電路，本設(shè)計(jì)采用固態(tài)繼電器+小型機(jī)械繼電器配合的方式來(lái)解決傳統(tǒng)高壓直流繼電器體積過(guò)大的問(wèn)題，如下圖4所示。

圖4 切換流程

固態(tài)繼電器負(fù)責(zé)48V總開關(guān)，機(jī)械繼電器負(fù)責(zé)切換多個(gè)檔位，為了保證機(jī)械繼電器的觸點(diǎn)可靠彈開，切換過(guò)程預(yù)先斷開48V總電源，接著機(jī)械繼電器的觸點(diǎn)不帶電的情況下完成需要的彈開和閉合操作，在操作完畢后48V重新上電。

這種檔位切換流程雖然相比傳統(tǒng)方法較為繁瑣，檔位切換過(guò)程供電不能持續(xù)，但是檔位切換本身就需要斷開負(fù)載操作來(lái)避免負(fù)載過(guò)壓或欠壓，這個(gè)缺點(diǎn)想對(duì)于節(jié)省的設(shè)計(jì)空間，是利大于弊的。

3.4.1 繼電器驅(qū)動(dòng)

固態(tài)繼電器是一種集成的非接觸式電子開關(guān)設(shè)備，體積小（緊湊），壽命長(zhǎng)（壽命長(zhǎng)）切換速度快工作頻率高。

機(jī)械小型繼電器采用兩開兩閉8腳信號(hào)繼電器，額定電流2A，采用兩刀并聯(lián)的方式將額定電流擴(kuò)展到4A。

4 結(jié)語(yǔ)

基于安全切換可靠、信號(hào)輸出穩(wěn)定等多種特點(diǎn)，本裝置已在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)領(lǐng)域開展了廣泛應(yīng)用，能夠充分改善現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及儀器儀表使用過(guò)程中多重化電源應(yīng)用方式的分離現(xiàn)狀，大幅度提升工作效率，對(duì)于電源復(fù)合化設(shè)計(jì)提供具有的借鑒意義