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电源电路设计方案范文1
【关键词】PLC技术；自动化控制系统；优化设计；电气工程
1PLC技术及自动化控制系统概念
1.1PLC技术
工业自动化水平是衡量国家经济生产力水平的关键性标准，在这个过程中，工业自动化模式的发展，有利于促进国民经济的健康、可持续运作。随着科学技术的不断创新及应用，电气自动化系统已经成为工业发展体系的关键构成部分，该系统实现了对计算机技术、网络技术等的应用，自动化控制器是该技术系统的核心部件。在实践工作中，PLC自动化控制系统实现了对处理器、电源、存储器等设备的结合性应用，通过对各个设备应用功能的结合，有利于提升自动化控制系统的运作效率。在这个过程中，电源设备是该系统正常运作的基础，一旦电源设备不能正常发挥其功能，就会导致控制系统停滞的状况。在控制系统运作环节中，处理器是该系统的核心构成要素，在工作场景中，其需要进行相关数据信息的处理及转化，其具备良好的处理功能，为了应对电气自动化的复杂性工作环境，必须实现功能系统、设备运作及管理系统、监督系统等的协调。
1.2自动化控制系统优化概念
为了提升PLC自动化控制系统的运作效率，必须进行相关优化设计原则的遵守，满足被控制对象的工作要求，针对控制系统的基本功能及环境应用状况，展开积极的调查及研究，满足该系统优化设计工作的要求。这需要进行系统相关运作数据资料的整理及分析，进行系统设计及应用方案的优化选择。为了提升系统的整体运作效率，进行系统设计方案的科学性、规范性、简约性设计是必要的，从而降低系统的整体运作成本，实现系统综合运作效益的提升，确保系统整体运作的安全性及可靠性。为了提升系统的生产效率，进行PLC自动化控制目标的制定是必要的，进行工作实际与系统运作状况的结合，实现PLC容量模块的合理配置。
2PLC自动化控制系统设计方案
2.1硬件设计模块
为了实现自动化控制系统的稳定性运作，必须为其创造一个良好的硬件设计环境，这就需要进行硬件设计方案的优化，实现其内部各个工作模块的协调，进行控制系统工作总目标的制定。
2.2输入电路设计模块
输入电源是PLC自动化控制系统正常运作的基础，控制系统的供电电源具备良好的工作适应范围。为了满足现阶段自动化控制系统的工作要求，需要进行电源抗干扰性的增强，降低环境对输入电源的工作影响，这就需要进行电源净化原件的安装，实现隔离变压器、电源滤波器等的使用。在隔离变压器工作模块中，进行双层隔离方案的应用是必要的，实现屏蔽层的构建，降低外部环境高低频脉冲的影响。在输入电路设计过程中，需要进行电源容量的控制，优化电源的短路防护工作，确保电源系统的稳定性、安全性运作，提升输入电源的整体容量，为了提升电路的整体安全性，需要专门安装相应型号的熔丝。
2.3输出电路设计模块
在输出电路设计过程中，需要遵循自动化控制系统的相关生产工作要求，进行电路设计准备体系的健全，在这个过程中，通过对晶体管等的利用，进行变频器调速信息、控制信息等的输出，实践证明，通过对晶体管的利用，可以实现PLC控制系统运作效率的增强。在频率较低的工作环境中，需要进行继电器设备的选择，将其作为输出电路设备，该工程流程比较简单，且具备较高的工程应用效益，有利于增强自动化控制系统的整体负载能力。在这个过程中，为了避免出现浪涌电流的冲击状况，需要在直流感性负载旁进行续流二极管的安装，进行浪涌电流的有效性吸收，实现PLC自动化控制系统的稳定性运作。
2.4抗干扰设计模块
为了降低外部环境对系统运作的干扰，可以进行隔离方法的使用，在这个过程中，通过对超隔离变压器的使用，进行系统高频干扰状况的隔离。这也可以进行屏蔽方法的使用，进行干扰源传播途径的阻断，提升控制系统的整体抗干扰性，在实际工作场景中，可以将PLC工作系统放于金属柜内，金属柜具备良好的磁场屏蔽及静电屏蔽功能。为了减少控制系统运作过程中的干扰状况，进行布线分散干扰模式的应用是必要的，确保弱点信号线、强电动力线路等的分开走线。
3结语
为了实现社会经济的稳定性发展，必须进行PLC自动化控制方案的优化，实现硬件设计模块、软件设计模块、抗干扰模块等的协调，提升控制系统的整体运作效益。
参考文献
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电源电路设计方案范文2
【关键词】直流电子负载；恒流恒压模式；蜂鸣器报警系统
0 引言
在电源、通信、蓄电池、能源等领域中，需要使用一些静态负载，通常采用电阻、电容、电感等或将它们的串并联组合来模拟实际负载情况，其缺点是负载占用较大的空间、精度差、形势单一且负载大小不能进行连续调节。直流电子负载的基本原理是利用功率场效应管（MOS），绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等功率半导体电子元件吸收电能并消耗电能。依靠功率半导体器件作为载体，实现了负载参数可调的功能，具有体积小和很高的调节精度和稳定性，能很好地模拟实际的负载，在电源设备测试中得到了广泛的应用。本文针对传统负载的弊病，提出了以STC12C5A60S2微控制器为核心，尽可能通过软件替代硬件，使其具有硬件结构简单、功能强、控制灵活的特点。
1 系统整体方案设计
基于单片机控制的直流电子负载系统结构框如图1所示：
图1 单片机控制的系统结构框图
本系统由以下部分组成：核心控制电路（单片机）、电子负载电路、采样电路、LCD显示电路和电源电路。
该系统方案的整体结构简易明了，将恒压电流、恒流电路有机的结合在了一起，并接入电子开关，操作时只需通过电子开关对模式进行手动切换，以STC12C5A60S2单片机为控制核心，通过程序实现恒压恒流值的调节、端口电压的采集及显示等核心功能。硬件电路中含有的运算放大器具有很大的电源电压抑制化，可以大大减小输出端的纹波电压。
2 硬件电路设计
本智能控制系统由以下部分组成：核心控制电路（单片机）、功率控制电路、采样电路、运放比较电路、LCD显示电路和电源电路。
2.1 核心控制电路设计
采用STC12C5A60S2单片机作为核心控制单元，STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟、机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代单片机。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），包含8位A/D、D/A转换功能，精确度高。通过软件编程可以实现对电压、电流预设置、A/D采样比较、D/A输出、LCD显示等多种功能，并且电路简单，控制效果好。
2.2 功率控制电路
选用N沟道增强型MOS管作为功率管。功率MOS管具有正温度系数，当结温升高时通态电阻增大，导通电阻小，自带保护二极管，有自限流作用，噪声系数小，所以功率MOS管热稳定性好。
2.3 恒压电路设计
选用运放OP07，该运放器是一种低噪声，低输入失调电，低输入偏置电流，开环增益高，稳定度很高的双极性运算放大器。在反馈电路中加入电阻，使得取样电阻上的电流可以微调，实现输出电流与理论值相同，大大提高了输出电流的精度，又由于运放的同相输入端的信号来自与数模转换模块的运放输出，稳定度很高。
恒压电路原理图如图2所示：
图2 恒压电路原理图
选用运放OP07，将同相输入端与输出端采用正反馈电路，在反馈电路中加入电阻R2，R3与R4并联实现分压。使得取样电阻上的电压稳定，实现输出电压与理论值相同。又由于运放的反相输入端的信号来自于单片机的输出，稳定度与精度均很高。
2.4 恒流电路设计
选用运放OP07，该运放具有低噪声特点，低输入偏置电流，开环增益高，是稳定度很高的双极性运算放大器。该方案优于以上两个方案，故采用此方案。
恒流电路原理图如图3所示：
图3 恒流电路原理图
选用运放OP07，将反相输入端与输出端采用负反馈电路，运放的同相输入端的信号来自于单片机的输出，稳定度与精度均很高。图5中输出端取样电阻为2欧大功率电阻，受热情况下其阻值改变不大。通过单片机设定负载参数。测试点的电流恒满足表达式：Itest=U/R1，其中U为采样电压。
2.5 LCD显示电路设计
传统设计方案：选用LED数码管显示，LED是笔划显示方式，虽然直观性好，视角大，但是该方式只能显示特定汉字和数字，若进行多位显示，需要多个数码管，功耗较大，体积大。
本设计方案：选用LCD12864液晶显示，LCD是点阵式的显示，可以有汉字、数字、波形等多种方式显示，灵活性大，且同一界面可以同时显示电压、电流、功率等多种参数，并且功耗低，体积小。
2.6 电源电路设计
变压器通过整流、滤波、稳压产生所需电压。图4中电路提供的±15V，±12V电源主要用于运放电路，+5V电源用于单片机、液晶显示、键盘。
3 系统软件设计及流程
此设计使用低功耗单片机STC12C5A60S2，利用该单片机通过程序可以实现以下三个功能：
（1）设定恒压、恒流运行模式及参数。通过键盘设定以步进方式设置预设值送给单片机，单片机通过 D/A（DAC0832）将数字量转换成相应的模拟量输出给硬件电路，以提供所需电压，并在LCD液晶上显示DA步进值。
（2）采样输出电压、电流并在LCD液晶上显示。单片机通过A/D（ADC0832）对等效负载的电压和电流进行采样，将采集回来的数值在单片机内部进行处理后送液晶屏进行电压、电流的显示。
（3）当电流大于3A时，单片机就会启动过流提示，蜂鸣器发出报警信号，在恒流模式下减小DA输出电压以减小电路电流，实现过载保护。
系统程序流程图如图5所示。
【参考文献】
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电源电路设计方案范文3
关键词： TPS65105； TFT液晶屏； 供电电源方案； 电路设计
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）18?0155?02
0 引 言
TPS65105 是一个混合式DC/DC变换器集成电路芯片。它专门为薄膜式晶体管（TFT）LCD显示器供电而设计的，针对LCD的供电要求能够提供三路输出电压[1?2]。该芯片内部辅助式线性稳压器能够从5 V的输入电源中为供电系统提供3.3 V的总线电源电压输出。其内部的主输出Vol是一个工作频率高达1.6 MHz的固定频率PWM升压式DC/DC变压器，它能够为LCD显示器的驱动源提供一个供电电压[3]。该芯片内部还集成了一个具有不同功率开关电流极限值的DC/DC变换器控制器。TPS65105的功率开关电流极限典型值为2.3 A。集成在芯片内部的完整的电荷泵除输出电压可以调节以外，还可以为LCD正栅极驱动器提供2倍压/3倍压的输出电压[4]。同时内部提供一个负电荷泵控制器，能够为LCD负栅极驱动器提供一路负电压输出[5?6]。由于电荷泵的开关频率高达1.6 MHz因此所使用的电荷泵电容便可采用价格较低、体积较小的220 nF的电容。该系列芯片内部集成了一个为了能够为LCD背光板提供供电电源的VCOM缓冲器，一个使用一个外部晶体功率管就能够为数字电路提供3.3 V输出电压的线性稳压器控制器[7]。为了绝对安全可靠的工作，该系列芯片还具有输出过流、过热和短路保护功能，也就是芯片的任何一路输出出现过流、过热或短路时，都会进入关闭模式[8]。该系列芯片还具有关闭模式外部控制、软启动和输出电压检测等功能[9]。
1 主要性能
2 内部原理方框图
3 电路原理图设计
4 结 语
本文主要是研究TFT?LCD的电源设计，解决了TPS65105的上电时序的问题，经过长期连续的实验和测试，其是一个稳定可靠的TFT液晶的电源设计方案。
参考文献
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电源电路设计方案范文4
【关键词】推挽电路 全桥逆变 正弦脉宽调制
1 前言
汽车已经是普遍交通工具，方便汽车生活的电器设备需要可靠的电源供电，车载储能设备电压一般为12V或24V，而用电设备一般需要220V/50HZ交流电源供电。因此，需要将12V低压直流电变换为220V交流电。现有产品大多为方波或准正弦波输出，效率低，谐波含量高。因此，研究效率高、可靠性高的正弦波车载逆变器具有重要意义。
2 正弦波逆变器的结构
根据车载逆变器输入和输出的要求，逆变器的整体结构由两部分组成，第一部分实现直流升压功能，第二部分实现逆变功能。实现升压和逆变功能的方案很多，但各有优缺点。
（1）DC-DC变换部分：Boost电路可以实现升压，但升压能力有限，输入输出没有隔离，效率低；半桥变换器的等效输入电压为实际输入电压的一半，电压利用率很低；全桥变换器所用器件多、控制复杂、成本高；推挽逆变加全桥整流电路升压能力比boost电路强，输入电压利用率比半桥电路高，所用元器件比全桥电路少且控制电路相对简单，同时实现了输入输出隔离。因此，本次设计采用推挽升压加全桥整流的设计方案实现直流升压。
（2）DC-AC变换部分：逆变部分一般采用全桥逆变电路，控制电路设计多种多样，输出电压波形各不相同，采用模拟芯片如SG3524等可以得到方波输出电压，采用移相控制、多重结构等可实现准正弦波输出，实现正弦波输出常用方法是单片机控制，但电路复杂、成本高、可靠性差。此次设计采用集成控制芯片TDS2285，该芯片是一款专门用来制造高纯正弦波逆变电源的控制芯片，它是用程序来产生SPWM波的，所以不需要基准源，也不需要调制电路，稳压电路简单，不用考虑相移补偿。
3 具体电路设计
按上述设计方案，完成电路设计、参数计算及器件选型、变压器制作等工作。
（1）推挽升压电路设计。推挽升压电路由推挽电路，升压变压器，高频整流电路及TL494构成的控制电路组成。TL494控制电路如图1所示。
推挽电路在每次电流回路中只有一个开关管，通态损耗较小，适于低电压输入场合。开关管根据功率及工作频率要求选用功率MOSFET，通过参数计算选择NEC4145。
变压器设计是升压电路的难点，首先根据电路参数要求选择磁芯材料确定B，然后计算core的AP值，再查阅TDK数据手册选用core。通过计算查表选择ER35，材质选PC40；根据输入输出电压值及占空比计算变压器初级和次级的绕组匝数，根据功率要求计算电流大小，依据电流选择导线直径，初级6T加6T，导线用铜箔，次级选0.71线一根绕180T，变压器制作过程中应注意绝缘设计。
高频整流电路选用全桥结构，根据频率要求整流器件选用超快恢复二极管SF28。
（2）全桥逆变电路设计。逆变电路采用全桥形式，根据电压及电流要求，开关管选用IRPF460。其控制信号由逆变控制芯片TDS2285产生。为了防止逆变器发生“直通”现象，必须设置一段死区时间。用非门MM74HC04、与非门74HC00、RC微分电路构成死区电路设计。由于控制芯片输出的SPWM脉冲波电压值有限，不能直接驱动MOS开关管，同时为了防止主电路对控制电路的影响，它们之间必须进行隔离。
4 焊接和调试
PCB版图制作焊接完成无误后进行测试，测试分两步进行，分别对前级DC-DC变换器和后级DC-AC变换器进行测试。
前级调试：在输入端接一个15A的保险丝，后级功率电路的高压保险丝不要安装。把万用表直流电压档接在高压电解电容两端，接电源，调试驱动电路的电位器，使高压输出在340-380V之间。
后级调试：调好前级后，在后级功率电路的高压保险丝座上，装上一个1A的保险丝，在高压电解电容两端接上一个60V左右的电压，作为母线电压，在AC输出端加上适当电阻做负载，可以测到正弦波电压大约在40V左右。
联机：在前后级都正常的情况下，可以把前后级联起来，完成整机调试。AC输出端的负载去掉，接上示波器，调整SPWM驱动电路电位器，把它调在220V左右停下。
5 结论
通过以上分析、设计、制作和测试说明：前级采用TL494控制推挽升压电路，后级采用TDS2285输出SPWM信号控制全桥逆变电路，可以实现输入直流12V到输出交流220V正弦波的变换，输出电压基本稳定，效率基本达到要求。经实验论证，该逆变电源稳定，性能可靠。
参考文献
[1]刘凤君.实用电源技术丛书-正弦波逆变器（第一版）[M].北京：科学出版社，2002.
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[3]丁成伟，高鹤，赵一忠等.一种实用车载逆变器的设计[J].电子产品世界，2008.
电源电路设计方案范文5
1体积较小
伴随着电子技术的发展，各种电子设备产品的集成化程度正逐渐提高。近年来，输变电线路中所采用的在线监测设备体积极大的缩小，如果其供电电源的体积过大，不仅会带来安装与维护上的困难，而且两者之间也不能很好的匹配。
2供电稳定、持续
一方面，为保证在线监测设备的正常、稳定运行，要求供电电源应具备足够的输出功率，电源的输出电压也应当稳定，输出波动范围小；另一方面，由于在线监测设备的功能，主要是对输变电线路及设备的各种参数数据进行实时测定，因此必须保持电源供电的持续，不能间断。
二、在线监测设备供电电源的主要取能方式的对比及选择
目前，应用于在线监测设备供电电源的主要取能方式有：太阳能电池板取能、激光取能、超声波取能、电流互感器取能等等。各种取能方式的基本应用原理及优缺点为：
1太阳能电池板取能
太阳能电池板取能，是利用光电转换原理，将太阳的辐射光通过半导体软件转换为电能进行存储的方式。由于太阳能电池板只在受光后方能发电，并不具有保持电能的能力，因此电源采用太阳能电池板时，通常还需要与蓄电池联合供电。这种取能方式的优点是，实现了电源传感部分的无源供能，不需要外接电源，且运行时不受电网电流大小的影响。而主要缺点是，在不受光时必须依靠蓄电池保持持续供电，因此蓄电池的使用寿命对供电的持续、可靠有着很大影响。然而目前市场中蓄电池的正常使用寿命普遍较短，对于野外工作的在线监测设备而言，经常性更换蓄电池也较为麻烦，因此这种取能方式的实际应用很少。
2激光取能
激光取能方式的基本应用原理是通过光纤将激光光源从低电位侧传送到高电位侧，再由光电池将激光能量转换为电能，以提供在线监测设备的稳定电能输出。这种取能方式的主要优点是，每个设备都配备有一个光探测器装置，能根据电流反馈控制激光发射器的光源输出大小，从而保证了电能输出的稳定，且具有噪声低、电源波纹小的特点，不容易受到外界因素干扰。它的主要缺点是，目前我国光电技术的应用仍不成熟，而国外购买的光电器件普遍又造价偏高，且激光发生装置如果在长时间大功率工作，容易出现老化现象而缩短使用寿命。
3超声波取能
超声波取能方式的应用原理是，利用超声波振荡装置驱动与之连接的石英传感器，使超声波被转换为电能。这种取能方式是一种无线输能的方式，其主要优点是，超声波在空气中传输的损耗很小，且供能方式实现较为容易，因此近年来在军事领域中的实际应用较为普遍。它的主要缺点是，一是接受天线的设计存在问题，尤其是天线放置方式和面积设计上容易对电源绝缘设计造成影响；二是超声波的输出，容易对附近变电站或其它电力设备的运行造成信号干扰问题。
4电流互感器取能
电流互感器取能的应用原理是，利用电流互感器从设备线路中感应电压，并通过一系列整流、滤波、稳压等处理方式后，提供给设备高压侧必要的供电电源。目前，我国电流互感器取能的技术应用及技术原理已较为成熟，在实际应用中具有成本低、设备结构简单、易于实现等优点。它的主要缺点是，由于电流互感器的取能来自于设备母线，其工作状态容易受到电网电流的影响。目前，在电流互感器取能实际应用时，应着重解决以下两方面问题：一是解决当母线电流处于小电流状态或空载状态时，如何持续保证电源的供应；二是解决当母线电流处于大电流状态或超短路电流状态时，如果给电源板以充足的保护。综合各种取能方式的优缺点和技术应用的成熟度，在本文中提出了利用电流互感器取能以解决设备供电电源的设计方案，同时还设计了锂离子电池组进行协同供电，作为供能不足时的备用电源，有效保证了电源的持续、稳定供应。
三、供电电源取能系统的设计方案分析
1设计方案原理
本文采用的是一种利用电流互感器取能和锂离子电池组协同供电的设计方案。电流互感器能随着设备母线一次电流的变化，感应出对应的交流电动势，并通过一系列整流、滤波、稳压等处理方式后，将其转换为可靠的直流电源。为避免母线电流处于大电流状态或超短路电流状态时，造成过压危险，在设计中还接入了一个泄流保护电路。而锂电池组则是作为一个稳定输出的备用电源，它与充放电管理电路之间直接相连接即可。图1即为该取能系统的结构示意图。该取能系统主要由小型的双线圈电流互感器、切换控制电路、继电器、整流滤波电路、泄流保护电路、滤波稳压电路以及锂电池等几个部分所组成。
2小型双线圈电流互感器设计
本文采用的是小型的开口式双线圈互感器设计，其开口铁芯是从设备母线中获取能量并传输能量的基础媒介，因此铁芯设计是整个系统设计的关键所在。对于开口铁芯的基本设计要求为：在保证大功率电源提供的基础上，尽可能减小一次启动电流，并提高电流适用性的工作范围宽度；为避免供电电源设计过大，开口铁芯的尺寸与结构也不宜过大。经过综合研究分析，本文中所设计的开口式双线圈互感器，其一次电流的适用范围在100A~1000A以内也能正常工作，正常输出功率可达到2W以上。同时，为了尽量减少开口铁芯的结构尺寸，并结合材料价格因素，最终选择硅钢片作为铁芯材料，它的饱和磁感应强度相比普遍材料更高，在相同条件下所得到的最大输出功率以及最大电压也更大，且价格成本也较为低廉。
3整流滤波电路、稳压电路设计
双线圈电流互感器，在母线中感应出对应的交流电动势，需要通过一系列整流、滤波、稳压处理，方能转变为在线监测设备所能使用的直流电源。因此在该取能系统中设计有整流滤波电路和稳压电路。整流滤波电路主要作用是对电流互感器的二次电压，进行整理和滤波处理以实现初步稳压。其主要设计要点有：一是要保证整流二极管的反向耐压值应足够大，导通压降应足够小，从而尽量减少整流二极管的损耗；二是要保证滤波电感的直流电阻应当较小，以尽量减少电路的损耗；三是应保证滤波电容具备较大的容量，大容量电感不仅能存储更多的能量，而且能有效避免继电器开断过程中二次电压不足的问题。
4泄流保护电路设计
由于开口式双线圈的一次电流适用范围较大，通过设计泄流保护电路，可以有效避免母线电流处于大电流状态或超短路电流状态时，所造成的过压危险。本文所设计的泄流保护电路，它与开口铁芯是直接串联，但感应电流的方向是相反的，从而起到部分抵消开口铁芯磁通的作用。在线路连接之间还设置有一个连接开关，以决定泄流保护电路是否工作。当运行时一次电流较小，泄流保护电路处于断开状态；当一次电流较大时则开关闭合，泄流保护电路开始动作，起到去磁保护作用。
5锂电池组及充放电电路设计
锂电池作为一种可循环充电、放电的电池，具有使用寿命长，充放电电流稳定的特点，适宜作为一个稳定输出的备用电源，它与充放电管理电路之间直接相连接。在实际应用中，单节锂电池的工作电压为4.2V左右，为保证足够的电压余量以确保电路的正常、稳定工作，在本文中设计了三节锂电池串联供电，其输出电压可达到12.6V左右，远超出最低输入电压7V的标准，能完成满足设计需要。
电源电路设计方案范文6
关键词 能效监测；SOC；RN8316
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）09-0015-03
能源作为世界发展和经济增长最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。但随着人口的日益增加和能源的不断消耗，能源匮乏问题日益突出。电力作为重要的能源形式，在终端能源消费中所占比重不断增大，因此，建设更加安全、可靠、环保、经济的电力系统，不仅能在很大程度上化解资源、环境和投资压力，而且还将带来巨大的节电效益、经济效益、环境效益和社会效益[1-2]。国内外研究和实践证明，通过实施需求侧管理、用能服务及能效监测，可以优化终端用户用电方式、缓解电力供需的矛盾和提高系统可靠性、减缓电网设施的投资压力、提高耗能企业的能源利用水平、减少能源的消耗、提高能源利用率、缓解能源的供需矛盾[3]。
随着微电子技术和设计制造技术的发展，集成电路设计从晶体管的集成发展到逻辑门的集成，现在又发展到IP（Intellectual Property）的集成，即片上系统SOC（System-On-Chip）[4-6]。与单功能芯片相比，SOC芯片具有集成度高、体积小、印制电路板（PCB）空间占用少、功耗低、抗电磁干扰能力强、可靠性高、成本低等优势。同时，可以有效地降低电子、信息系统产品的开发成本，缩短开发周期，提高产品的竞争力[7]。
1 RN8316（SOC）简介
图1 RN8316系统框图
RN8316是深圳锐能微公司提供的一款低功耗、高性能、宽电压、高集成度、高精度的三相MCU芯片，产品系统框图如图1所示。该产品内嵌32位ARM Cortex-M0核，最高运行频率可达29.4812MHz，最大支持224Kbytes FLASH存储器、16Kbytes SRAM和16Kbytes EEPROM，内置单cycle乘法器（32bit*32bit）、CM0内嵌系统定时器、2个DMA控制器，支持外部中断等多种唤醒方式，提供完善的集成开发软硬件环境。该芯片支持高速GPIO，可与不同电压外设器件连接，最大支持10位ADC，8*32位的LCD，支持芯片电源电压及外部电压检测。通信接口最大支持6路UART，2个7816口，1路I2C和1路SPI。同时，RN8316还集成了RTC、看门狗和加密处理器。
2 硬件电路设计
电力能效监测终端主要由电源模块、计量单元、存储单元、载波模块、通信模块、直流模拟量采集等部分组成。系统的结构框图如图2所示。
图2 电力能效监测终端设计框图
2.1 电源模块设计
为保证终端能够稳定工作，并具有良好的电磁兼容特性，电源模块采用三路电源供电，分别为主电源8 V、两路12 V辅助电源，之间相互隔离。主电源VDD8V通过LDO降为VDD5V和VDD3.3V电源，主电源5 V为SOC、红外、电能质量监测模块供电，主电源3.3V给计量芯片供电。一路ZB12V辅助电源用于载波电路供电；另一路AUX12V辅助电源为遥信电路供电，同时通过LDO降为AUX5V，为RS485、直流模拟量电路供电。电源电路设计如图3所示。
2.2 采样计量单元
采样计量单元是电力能效监测终端的重要单元，设计中采用锐能微公司的RN8302计量芯片来实现对电压、电流、功率、功率因数、谐波等数据的计量，并输出有功、无功脉冲。RN8302占用SOC一路SPI，同时SOC配置中断、复位口从而能够实现对计量芯片的控制和通信。RN8302管脚资源配置如图4所示。
图4 RN8302管脚资源配置
采样电路中，考虑到生产成本和计量精度，电压采样采用电阻分压采样的方式，UA/UAN，UB/UBN，UC/UCN为采样信号，而电流采样采用电流互感器采样的方式，IAP/IAN，IBP/IBN，ICP/ICN为采样信号，电路图分别如图5和图6所示，电压采样电路中的1K电阻和电流采样电路中的5R电阻采用精度1%的精密电阻，电容用于去耦和滤波，以保障采样精度。同时电压采样信号可用于电能质量的监测，扩展电力能效监测终端的功能配置。
图5 电压采样电路
图6 电流采样电路
2.3 遥信电路
电力能效监测终端配置两路遥信端口，使用光耦LVT-816同SOC进行隔离。遥信电路原理图如图7所示。
图7 遥信电路
2.4 RS485电路
在实际工程运用中，由于受到工程人员操作能力，经验等因素的影响，RS485的A、B端子常常接反，导致不能够正常抄表。因此，在电力能效监测终端RS485电路的设计中，采用了无极性485芯片ECH485NE，A、B端子正反接都能够正常通信。终端配置两路RS485电路，分别用于抄表和维护，占用SOC两路UART端口，485芯片用光耦同SOC进行隔离。RS485电路如图8所示。
2.5 直流模拟量电路
直流模拟量电路主要针对非电气量的采集，该能效终端采用瑞萨电子的RL78/G13系列单片机进行控制，SOC通过一路UART端口进行通信，并配置复位脚进行控制。直流模拟量电路通过光耦同主电路进行隔离，终端配置了两路信号的采集，拓展了数据的采集范围，实现了采集和能效监测的多样化。直流模拟量采集电路图如图9所示。
2.6 载波电路
电力能效监测终端的载波用于同能效采集服务器进行通信，载波电路占用SOC一路UART端口用于收发数据，占用一路7816口实现载波的设置、复位、事件输出等功能，并通过光耦同SOC进行隔离，接口标准符合最新国网三相电表规范，可方便插拔和替换多个厂家的载波模块，提升了产品的兼容性。载波电路如图10所示。
3 结束语
本文在智能用电及能效管理的基础上，根据电力能效监测终端技术标准，采用SOC芯片RN8316，进行了硬件的设计。相对于传统的基于独立功能芯片的用电终端，基于SOC的电力能效监测终端在功耗，稳定性，可靠性等方面表现更加优异，并且体积小，所用元器件少，生产成本较低，具有良好的市场前景。
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