高效复合化信号发生装置研究与应用

于亚雄，邱小波，杨铭轩

（南方电网调峰调频发电有限公司检修试验分公司，广东广州，511400）

0 前言

电力生产过程中，经常会用到各种仪器仪表，而仪器仪表乃至个别设备的使用均需要外加电源进行供电后才能正常使用，经常同时存在多个电源同时使用的情况，会导致诸多弊端产生[1]，无法可靠保证设备的持续稳定运行。

本文针对工作过程中使用的绝大部分的交直流电源供电的设备及仪器仪表，研究提出一种高效复合化信号发生装置。该装置具备交直流电压及电流信号输出等多重功能，同时又兼具插孔式线缆盘的长距离使用特点，解决了以往现场多个电源和信号装置共同存在的混乱局面，能有效提升现场工作效率及工作品质，在总量业务恒定的格局下企业成本管控方式的研究上有实际价值，并有助于打通多重信号源的集中微型复合化研究路径，为后续复杂类仪器仪表的多功能生产及应用提供解决方案，在应用研究方面具有较高的价值。

1 设备整体架构设计

设备整体架构分为信号源、功率电源和主控系统三大部分。其中，功率模块因为受控于主控模块，受控方式采用固态继电器控制。功率模块输出存在多个输出档位，采用统一的输入电压48V可以简化系统设计，各个档位通过各自的DC-DC电路独立输出，避免相互影响。具体见图1所示。

图1 设备整体框架

为了保证功率模块安全可靠运行，必须对功率模块的输出进行监控和采集，因此需要独立的电压和电流采集模块，以及快速响应的硬件保护电路[2]。

图2 功率电源框图

4-20mA信号发生器是独立的一个电路模块，主要用途就是产生4-20mA恒流源。3.5寸液晶和旋钮、按键组成人机交互系统。

2 4-20mA信号源设计

采用DAC和恒流源发生器一起组成4-20mA信号发生器，其中DAC输出程控电压，恒流源发生器对DAC输出的电压进行电压-电流转换，同时提供DAC的5V工作电压。

3 功率电源输出、采集、保护和切换

功率电源是设备的功率输出部分，输出电压支持直流5/12/24/48/220V， 其 中12/24/48/220V可以进行档位切换，功率小于50W，5V为辅助的固定输出，最大输出电流2A。

3.1 电压电流采集

3.1.1 分压电阻和采样电阻

设计分压电阻的分压比K为1000，增益G为12。

分压电阻选择0.1%精度的薄膜贴片电阻，温漂系数25ppm/℃，封装为200V耐压的1206封装。电流采集的思路是采样电阻+放大器，采样电阻为阻值0.075Ω，精度0.1%，功率2W的合金电阻。

3.1.2 隔离放大器

基于线性度和误差的要求，采用来自TI半导体的隔离放大器AMC1200，其共模抑制比高达108dB，非线性误差正常时仅为±-0.015%，自带8倍增益，增益精度0.5%。

3.1.3 差分转单端

差分输入转单端出电路采用仪表放大器完成AD623为核心[3]，可以通过外置增益设置电阻进行1至1000的增益选择，增益误差典型值为0.35@ G＞ 1。并输入端增加RC低通滤波器，可以降低高频干扰信号。

3.2 DC-DC升降压

采用Buck降压和Boost升压拓扑，在输入48VDC的条件下输出5/12/24/48/220VDC五个不同电压，如图3所示。

图3 24V降压和220V升压电路

3.2.1 Buck升压和降压

5V/12V/24V的DC-DC采用开关降压芯片TPS54360。具有集成型高侧 MOSFET的60V、3.5A 降压稳压器，其宽开关频率范围可实现对效率或者外部组件尺寸的优化[4]。220V输出采用BOOST升压拓扑，具有高电压、低侧、N沟道等特点。

3.3 过流保护和过/欠压保护

本文采用硬件电路的方式实现过流、欠压和过压保护。

3.3.1 保护阈值参考电压

保护阈值电压电流存在多个档位，但同一时间只使用一个参数，故采用参考源+分压电阻+模拟开关切换的方案来实现[5]。

因为功率输出存在多种电压数值和多种电流阈值，保护电路需要在不同的输出电压选择上，选择不同的阈值范围，选择方式通过模拟开关进行切换。

3.3.2 比较器电路

比较器电路是功率输出保护电路的重要一环，电压电流采集电压通过比较器和预设的阈值电压进行比较，若采集值超出范围，比较器输出状态反转。

电流保护采用迟滞比较器，电压保护采用窗口比较器，比较器芯片采用经典的LM393。

3.4 安全切换

多档位输出的核心是需要在设计一个可靠的档位切换电路，本设计采用固态继电器+小型机械继电器配合的方式来解决传统高压直流继电器体积过大的问题，如下图4所示。

图4 切换流程

固态继电器负责48V总开关，机械继电器负责切换多个档位，为了保证机械继电器的触点可靠弹开，切换过程预先断开48V总电源，接着机械继电器的触点不带电的情况下完成需要的弹开和闭合操作，在操作完毕后48V重新上电。

这种档位切换流程虽然相比传统方法较为繁琐，档位切换过程供电不能持续，但是档位切换本身就需要断开负载操作来避免负载过压或欠压，这个缺点想对于节省的设计空间，是利大于弊的。

3.4.1 继电器驱动

固态继电器是一种集成的非接触式电子开关设备，体积小（紧凑），寿命长（寿命长）切换速度快工作频率高。

机械小型继电器采用两开两闭8脚信号继电器，额定电流2A，采用两刀并联的方式将额定电流扩展到4A。

4 结语

基于安全切换可靠、信号输出稳定等多种特点，本装置已在工业现场作业领域开展了广泛应用，能够充分改善现场设备及仪器仪表使用过程中多重化电源应用方式的分离现状，大幅度提升工作效率，对于电源复合化设计提供具有的借鉴意义