高频开关电源的设计

高频开关电源的设计高频开关电源的设计高频开关电源的设计高频开关电源的设计编制仅供参考审核批准生效日期地址：电话：传真:邮编:学校代码10126学号00812032分类号密级本科学期论文（设计）高频开关电源的设计学院、系电子信息工程学院电子工程系专业名称电子信息科学与技术年级2008级学生姓名孙哲琦指导教师窦海峰2010年9月28日高频开关电源的设计摘要：通信电源是电信网的能源，其供电质量的好坏直接关系到整个电信网的畅通，本课题首先分析了近年来国内外高频通信开关电源的发展状况，在理论分析和电路实验的基础上，开发出了一种新型的高频通信开关电源（交流配电模块、直流配电模块、4只高频开关整流模块和监控模块置于同一机架内），该电源优化了电路的主要参数，设计了相移脉宽调制零电压开关谐振（PS-ZVSPWM）全桥变换器电路和以集成控制器UC3875芯片为核心的控制电路，实现了功率开关管的零电压开通和近似零电压关断，研制出高效率（达93%）、高稳定度(±%）、高可靠性、低电磁干扰的高频开关整流模块。同时文中还提到了以MCS-51单片机电路为核心的的电源监控模块与监控设计思路。保证了整机能够安全可靠工作。关键词：高频开关电源，相移脉宽调制，模块HighFrequencySwitchingPowerSupply'sDesignAuthor:SunzheqiTutor:DouhaifengABSTRACT：Thecorrespondencepowerswitchisthetelecommunicationnetworkenergy,itspowersupplyqualityrelatesdirectlytotheentiretelecommunicationnetworkunimpededness,thistopichasfirstanalyzedtherecentyearsdomesticandforeigncommunicationsswitchingpowersupplydevelopmentcondition,testsinthetheoreticalanalysisandtheelectriccircuitinthefoundation,developedonekindofnewcommunicationswitchingpowersupply(alternating-currentdistributionmodule,directcurrentpowerdistributionmodule,4highfrequencyswitchesrectificationmoduleandmonitoringmoduleputsinidenticalrack),thispowersourceoptimizedtheelectriccircuitmainparameter,hasdesignedthephase-shiftpulse-durationmodulationzeropotentialswitchresonance(PS-ZVSPWM)theentirebridgeconverterelectriccircuitandtakeintegratesthecontrollerUC3875chipasthecorecontrolcircuit,Realizedthepowerswitchingvalvezeropotentialtoclearwiththeapproximatezeropotentialshutsoff,developsthehighefficiency(toreach93%),thehighstability(±%),redundantreliable,thelowelectronmageticinterferencehighfrequencyswitchrectificationmodule.AtthesametimeinthearticlealsoproposedbasedonMCS-51isthecorepowersourcemonitoringmoduleandmonitoringdesignmentality.Ithasguaranteedentiremachinesafereliablework.Keywords:Highfrequencyswitchingpower,Phase-ShiftingPWMZVS,Modules目录1绪论 1开关电源的发展及国外现状 1国内通信电源的发展及现状 2研究内容 32电路原理方案分析和选择 5高频开关整流模块 5直流配电模块 8监控模块 93主要电路设计 12高频开关整流模块主电路的设计 12结论 17致谢 18参考文献 19

1绪论开关电源的发展及国外现状开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的导通与截止．将直流电变为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压的电源。通信设备发生故障时，可能会影响部分用户或使接通率下降。而电源发生故障时，将会造成通信全部中断，所以人们一直将电源视为整个通信系统的心脏，受到足够的重视。通信电源分为一次电源和二次电源两大类，一次电源将交流电转换成稳定的直流电接入通信设备，二次电源一般位于通信设备内部，将一次电源的直流电转换成多种电压值的稳定直流电以供通信设备内部各部分使用。自1957年第一只可控硅(SCR)问世后，可控硅取代了笨重而且效率低下的硒或氧化亚铜整流器件，可控硅整流器就作为通信设备的一次电源使用。在随后的20年内，由于半导体工艺的进步，可控硅的电压、电流额定值及其它特性参数得到了不断提高和改进，满足了通信设备不断发展的需要，因此，直到70年代，发达国家还一直将可控硅整流器作为大多数通信设备的一次电源使用。虽然可控硅整流器工作稳定，能满足通信设备的要求，但其是相控电源，工作于工频，有庞大笨重的电源变压器、电感线圈、滤波电容，噪声大，效率低，功率因数低，稳压精度也较低。因此，自1947年肖克莱发明晶体管，并在随后的几年内对晶体管的质量和性能不断完善提高后，人们就着力研究利用晶体管进行高频变换的方案。1955年美国罗耶（GH·Roger）发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换电路的开始，1957年美国查赛（J.J.JenSen.）又发明了自激式推挽双变压器变换器电路。在此基础上，1964年，美国科学家提出了取消工频变压器的串联开关电源的设想，并在NEC杂志上发表了“脉宽调制应用于电源小型化”等文章，为使电源实现体积和重量的大幅下降提供了一条根本途径。随着大功率硅晶体管的耐压提高和二极管反向恢复时间的缩短等元器件性能的改善，1969年终于做成了25KHz的开关电源。电源界把开关电源的频率提高到20KHz以上称为电源技术的“20KHz革命”。开关电源技术的这一新的发展，在世界上引起了强烈的反响和重视，开关电源的研究成了国际会议的热门话题。经过几年的努力，从开关电源的电路拓扑型式到与其相配套的元器件等研究都取得了相当大的进展。随着通信用开关电源技术的广泛应用和不断深入，实际工作中人们对开关电源提出了更高的要求，提出了应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化、产品性能的绿色化、新一代电源的技术含量大大提高，使之更加可靠、稳定、高效、小型、安全。在高频化方面，为提高开关频率并克服一般的PWM和准谐振、多谐振变换器的缺点，又开发了相移脉宽调制零电压开关（PSPWMZVS，PhaseShiftPulseWidthModulationZeroVoltageSwitch）（零电流）谐振变换器，这种电路克服了PWM方式硬开关造成的较大的开关损耗的缺点，又实现了恒频工作，克服了准谐振和多谐振变换器工作频率变化及电压、电流幅度大的缺点。采用这种工作原理，大大减小了开关管的损耗，不但提高了效率也提高了工作频率，减小了体积，更重要的是降低了变换电路对分布参数的敏感性，拓宽了开关器件的安全工作区，在一定程度上降低了对器件的要求，从而显著提高了开关电源的可靠性。国内通信电源的发展及现状早期，科研技术人员开发了以国产大功率电动发电机组为主的成套设备作为通信电源。在引进原民主德国FGD系列和前苏联BCC51系列自动化硒整流器基础上，借鉴国外先进技术，与工厂共同研制成功国产XZL系列自动化硒整流器，并在武汉通信电源厂批量生产，开始用硒整流器装备通信局（站），替换原有的电动发电机组，这标志着我国国产通信电源设备跃到一个新的水平。我国80年代开始生产20KHzDC/DC变换器，但由于受元器件性能的影响，质量很不稳定，无法作为通信设备的一次电源使用。只是作为通信设备的二次电源使用（二次电源对元器件的耐压及电流要求较低）。直到上世纪90年代初，我国大多数通信设备所用的一次电源仍然是可控硅整流器。这种电源工作于工频50Hz，有庞大的工频变压器、电感线圈、电解电容等，笨重庞大、效率低、噪声大、性能指标低，不易实现集中监控。由于通信事业发展的需要，八十年代后期，邮电部加强了通信电源技术发展的各项工作，制订了“通信基础电源系统设备系列暂行规定”，“通信局（站）电源系统总技术要求”和电源设备行业标准等文件，多次派代表参加国际电信能源会议，并在八十年代后期才第一批引进了澳大利亚生产的48V/50A（开关频率为40KHz）和48V/100A（开关频率为20KHz）的高频开关电源，在吸收国外先进技术的基础上，投入较大的力量，开始研制自己的开关电源。邮电部武汉电源厂、通信仪表厂等厂家开发出了自己的以PWM方式工作的开关电源，并推向电信行业应用，取得了较好的效果。随后邮电部对电源提出了更新换代和实现监控（包括监控）的要求，众多厂家都投入力量研制开发，推出了采用PWM技术的高频开关电源，有些厂家还推出了实现远程监控的解决方案，短短几年后，电信部门所用的一次通信电源几乎都更换成了采用PWM集成控制芯片、大功率晶体管、功率场效应管、绝缘栅双极晶体管的半桥或全桥电路，其开关频率为几十至100KHZ、效率高于90%、功率因数接近1、稳压精度优于%、模块化组合的高频开关电源，电信行业成套电源技术提高到了一个崭新的水平。最近几年来，为了提高开关电源的可靠性，进一步提高转换效率，提高工作频率，减小体积，并降低电磁干扰，在吸收国外最新进展的基础上，开始了准谐振、多谐振开关变换器和相移脉宽调制零电压（零电流）谐振变换器的研究实验工作。尤其是由于后者具有较多的优点，受到了大家的重视，投入了较多的研究力量，取得了一些进展，提高了效率、可靠性，降低了电磁干扰，并已有少量应用，但总的来说仍处于研究探索阶段。从整体性能看，我国通信电源设备与国外同类产品相比存在一定的差距。主要差距在工作的可靠性、稳定性和技术性能等方面。因此，组织力量研制开发具有自主知识产权、技术含量高的新一代通信电源，对振兴民族工业，提高产品的质量和市场竞争力，提高开发队伍的研究水平都具有重要意义。研究内容HE型程控交换机系列（备用）电源采用可控硅整流技术，将交、直流屏组合到一个机架内成为组合电源，主要在乡镇邮电局程控机房使用。后根据邮电部对通信电源更新换代的要求，于1997年，HE－48型高频开关电源又研制成功，这种电源主要用于乡镇程控交换机房。采用PWM脉宽调制高频开关变换技术，开关频率为50KHz，取消了庞大的工频电源变压器，电感和电容的尺寸也大为减小，交直流屏、整流器和监控部分都实现了模块化，并置于同一机架内（图）。监控模块以单片机为核心，可监控交、直流屏及多个整流模块的工作参数，并可通过其RS232接口实现集中监控。但经过几年的运行发现，整流模块的功率管发热较严重，个别模块出现故障时，发现基本都是功率管击穿烧毁。针对以上情况，我认为应该从以下方面加以改善：将原来整流模块所采用的脉宽调制（PWM）半桥式电路改为相移脉宽调制零电压开关(谐振)全桥变换器。该变换器同时具有PWM方式和准谐振、多谐振开关变换器的优点，只是在开关转换时采用谐振方式，开关转换后仍采用PWM工作方式，既实现了软开关，大大降低了开关损耗，又以恒频方式工作，避免了准谐振、多谐振开关变换器工作频率变化及正弦波电流峰值大的缺点。经运行表明，整流模块的功率开关管发热情况显著改善，整流模块效率提高了3-4%，整机可靠性大为提高，在此基础上研制了新型高频开关电源。主要研究内容为：=1\*GB3①新型高频开关电源整机由4个48V/25A高频开关整流模块、交流配电模块、直流配电模块、监控模块组成，置于同一机柜内。具有多路直流稳压输出，可分别给程控交换机、光端机等通信设备供电。由于该电源全自动化工作，又具有集中监控功能。=2\*GB3②48V/25A相移脉宽调制零电压（零电流）谐振全桥变换器电路和以集成相移脉宽调制控制器为核心的控制电路。经反复实验优化主要电路参数，使高频开关整流模块稳定可靠工作，转换效率达93%，稳压精度达±%。=3\*GB3③以MCS-51单片机电路为核心的监控模块，实现对交、直流屏，多个高频开关整流模块的监控，并可通过互联网实现县邮电局对各个县镇邮局电源的集中监控，实现遥信、遥测、遥控三遥功能。远程监控模块整流模块1整流模块2整流模块3整流模块4直流配电模块交流配电模块图开关电源整机框图2电路原理方案分析和选择程控交换机等通信设备一旦安装开通，就长期连续工作，不能间断，因此要求通信电源第一应具有高效率、高可靠性，并能长期连续稳定工作，第二应实现全自动化，无需工作人员直接操作，第三应具有监控和三遥（遥测、遥信、遥控）功能。为了减小整机体积和重量，并增加备份，方便扩容，电表单元、交流配电模块、高频开关整流模块、直流配电模块、监控模块等部分置于同一机框内。根据电源容量需要，装入适当块数的高频开关整流模块，随着交换机容量的扩大，还可陆续增加整流模块，以满足通信设备的需要。高频开关整流模块由于该电源的高频开关整流模块的输出既对通信设备供电也同时给额定电压为48蓄电池组充电，因此其最高输出电压可达定输出电流为25A，其输出的最大功率为，属于中等功率，鉴于此，可采用单相交流电对其供电。开关电源采用常规的PWM方式工作，在开关转换期间，功率器件上会同时承受高电压和大电流，造成转换时功率损耗较大，有时功率器件发热严重，影响可靠性，而且随着工作频率的提高，这种现象更为严重。为了减少开关损耗，提高工作频率并增加可靠性，人们在PWM硬开关的基础上提出几种软开关电路拓扑，主要有准谐振开关变换器（QRC），多谐振开关变换器（MRC）以及相移脉宽调制零电压（零电流）谐振变换器。准谐振变换器和多谐振变换器优点是工作在谐振状态，实现了软开关，大大降低了开关损耗，而且可以吸收电路的寄生参数（不在乎电路的寄生参数存在），几乎不产生电磁干扰。缺点是输出同样功率时，与PWM方式相比，其正弦波电流峰值较大，对开关器件要求较高，此外其正弦波较高的峰值电流引起的正向导通损耗增大，在一定程度上又抵消了一些降低开关损耗的好处，而且工作频率随输入电压和负载变化有一定的变化范围，不便设计输出滤波电路的参数。相移脉宽调制零电压开关(谐振)变换器仍采用PWM工作方式，只在开关转换时采用谐振方式，这样既克服了PWM方式硬开关造成的较大开关损耗问题，又实现了恒频工作，避免了准谐振和多谐振开关变换器工作频率变化及正弦波电流峰值大的缺点。相移脉宽调制零电压开关(谐振)变换器必须用全桥电路实现，其原理电路如图所示。图相移脉宽调制零电压开关（谐振）变换器原理框图从电路形式上看，它与常规的PWM全桥变换器电路完全相同。PWM变换器采用两个对角开关器件同时驱动导通，将输入电压交错加到高频变压器的初级，并用改变占空比即导通时间的方法实现调整。而在相移PWM电路中，四个开关管连续工作在约50%（略小于50%）的固定占空比上，然后控制左右两个半桥支路之间的相位关系，通过改变输出脉冲的宽度进行调整，当对角开关管同时导通时才输出功率。当接于电源正端的上部开关管（V1、V3）或接于负端的下部开关管（V2、V4）同时导通时，变压器初级实质上被短路，并被钳位于相应的输入电源母线端。由变压器漏感维持电流，创造了实现谐振转换的条件。因此，相移脉宽调制全桥电路同时具有脉宽调制电路和谐振电路的优点，选用此种电路，不但电路简单，而且容易获得较高的技术性能，也可显著提高开关变换器的可靠性。功率器件主要有双极型晶体管（GTR），功率场效应管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。作为开关功率器件，双极型晶体管因出现的早，过去用的较多，价格较低，饱和压降较小，但这种管子的输入是电流驱动，基极驱动功率较大，驱动电路也较复杂，而且这种器件由饱和状态到关断状态时，由于要将过量的少数载流子从基区除去，所以有一个过渡的存储时间（一般常达几个μs），只有经过此段存储时间以后，器件才开始关断，集电极上才可以承受电压。因此限制了该种器件的工作频率不可能很高，如果要提高工作频率，就要采用抗饱和电路，则增加了电路的复杂性，而且工作频率提高也很有限，另外，在器件的额定工作范围内会产生二次击穿现象，安全工作区窄，器件并联使用时，均流比较麻烦。场效应管是电压驱动器件，输入阻抗很高，几乎不需要驱动功率，大大减化了驱动电路，有时可由CMOS电路和集成电路直接驱动，该种器件不像双极型晶体管有少数载流子储存在基区电荷中，而是多数载流子器件，它不存在存储效应，没有存储时间，高的开关速度使器件在高频下可有效工作，提高了开关电源的工作频率。这种器件不存在二次击穿现象，它的安全工作区范围宽，由电压、电流的额定值和功率负荷所决定。场效应功率管和双极型功率管安全工作区的比较如图所示，从图中可看出，在额定电压电流相同情况下，场效应管的安全工作区明显较大。由于该种器件的漏源导通电阻RDS（ON）具有正温度系数，当温度升高时，RDS（ON）增大，当器件并联应用时，有自动均流作用，均流电路可以非常简单。该种器件的缺点是导通压降较大，而且对静电感应敏感，需要适当的静电放电保护措施。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是新出现的一种器件，是由场效应管和双极型晶体管组合而成，其输入电路如同场效应管，输出电路如同双极型晶体管，因此其输入阻抗高、输出阻抗低、饱和压降小，具有双极型晶体管和场效应管所具有的一些优点，而且耐压高，额定电流大，但其开关输出脉冲的后沿有一个1μs长的拖尾电流，工作频率不能做的太高，而且价格较贵，通常认为，在中、小功率范围内，采用场效应管是适宜的，其开关频率很高，可以减少整个电源的体积、重量和成本，驱动可以采用简单的脉冲变压器，通过管子并联的方案可解决其容量不足问题，其耐压值较低适合单相输入的情况。绝缘栅晶体管输出容量大、耐压高、饱和压降小，是大功率开关电源的首选器件。综上所述，考虑到属于中小功率范围，采用单相交流电供电，全桥变换电路，对功率器件耐压和额定电流要求较低，并且应尽量使电路简化，工作可靠，尽可能提高工作频率，使体积缩小，重量减轻，我们选择了VMOS场效应管。由于功率转换电路工作在较高频率，接在高频变压器后的整流二极管也工作在较高频率，整流二极管也需用高频大功率管。大功率高频整流二极管工作在高频状态，应使用具有低的正向压降，小的反向电流，低的反向恢复时间和软恢复特性，同时具有足够的耐压，较高的浪涌能力的整流二极管。肖特基二极管的正向压降很低，其它方面的性能也比较好，但其耐压较低（50V），在本电源中无法使用，因此选用具有软恢复特性的快恢复二极管，以减小电源所产生的噪声。高频变压器是变换器电路的关键部件之一，由于功率器件性能的改善以及软开关技术等的采用使得开关器件损耗大为降低，因此，降低高频变压器的损耗已成为提高开关电源效率的重要因素。硅（硒）钢片磁感应强度虽然很高，但在高频下损耗大不能使用。铁氧体磁性材料电阻率高、高频损耗小，但它的饱和磁感应强度太低，所以使用时，需要较大的磁芯面积，且具有易碎性，制造大型磁芯有一定难度。非晶态合金是近年来发展起来的新材料，其磁感应强度高，电阻率大，对涡流阻力大，矫顽力小，损耗低，但以U型供货的磁芯磁感应强度大大降低，而以环形供货的磁芯绕制线圈比较困难，并且尺寸不够大，要满足较大容量的开关电源需求还有待进一步解决。鉴于以上分析，我们选用E型铁氧体磁芯绕制高频变压器，考虑到工作频率较高，为减小趋肤效应的影响，采用铜箔绕制。图IRF306功率MOSFET和2N6545双极型功率管安全工作区的比较直流配电模块该部分将4块高频开关整流模块的输出汇合后分成两路，一路直接给蓄电池充电，另一路经电压调整后输出，给程控交换机等通信设备供电（图）。如果市电中断，蓄电池能自动对通信设备供电，若停电时间过长，蓄电池电压降至44V时，检测控制电路立即将蓄电池的供电电路自动切断，防止蓄电池过放，以保护蓄电池。该部分还应将充电电压、总电流、输出电压、电流转换成相应的直流信号，供监控模块检测。图直流配电模块原理框图监控模块监控模块的功能应为：=1\*GB3①检测4只高频开关整流模块，交流配电模块以及直流配电模块的电压、电流等参数并显示某些重要参数。=2\*GB3②通过对整流模块工作状态的检测，判断其工作状态是否正常，当工作不正常，而整流模块的本身控制保护电路又没有动作时，监控模块可使其自动停止工作，并产生声光报警信号，实现双重保护，以保证电路安全；通过对交流电压的测量，在其电压过高或过低时也使整流模块自动停止工作，当市电电压恢复正常时，又能使整流模块自动开始工作。当市电停电时间较长，蓄电池出现欠压时，可自动切断其供电，防止蓄电池过放，当市电来电，蓄电池电压上升后，又可自动恢复供电。=3\*GB3③还应具有本地监控功能。本地监控时通过其RS232串行接口和本地计算机相连实现；当电源的某部分出现故障时，监控模块的面板上会点亮相应的指示灯，并主动将故障情况报告给本地监控计算机，计算机可以巡检并显示电源各部分的电压值、电流值、运行状态和故障内容，也可实现对电源的开机、关机、浮充/均充等工作状态转换和异常情况告警。为完成上述功能，监控模块的电路以单片计算机80C31为核心，扩展输入、输出I/O接口和A/D转换，液晶显示等外围电路，由于要检测的模拟量多达20多个，因此采用具有多路输入的ADC0809进行模/数转换。由于农村乡镇的工作环境恶劣，供电情况也差，为保证可靠工作，在硬件和软件方面都应采取措施，增强抗干扰能力。监控模块的电路方框图如图所示。整机系统组成电原理框图如图所示。单相交流电接入交流配电模块，经分配后，给4只高频开关整流模块提供单相交流电，高频开关整流模块将交流电转换成电压稳定的直流电，接入直流配电模块汇总后，给蓄电池充电，并时对程控交换机等通信设备供电。监控模块对整机各部分进行检测，执行控制、保护、告警及显示等项功能。并可通过RS232接口与本地进行通信，实现集中监控。图监控模块电路方框图图整机组成原理框图由于采用VMOS场效应功率管，其工作频率可以很高，但随着工作频率的提高，虽然变压器及滤波元器件尺寸将缩小，而磁芯损耗和开关损耗却都会增大。综合考虑所使用的功率开关管的性能、变压器及滤波元件的尺寸大小，磁芯损耗和开关损耗，确定开关频率为50KHz。3主要电路设计高频开关整流模块主电路的设计根据开关电源对高频开关整流模块的技术要求及相应的电路方案选择，高频开关整流模块采用如下的原理电路图（图）：图高频开关整流模块主电路原理电路图相移脉宽调制零电压开关(谐振)全桥变换器的工作原理如图的电路图和波形图所示。如前所述，虽然在形式上它与常规的PWM全桥变换器电路相同，但开关管的驱动和工作方法是完全不同的。实际上，每个半桥支路上的开关管（左支路V1、V2，或右支路V3、V4）的驱动波形的占空比略小于50%，存在一定的死区时间（即延迟时间），设置延迟时间既是为了防止桥路直通造成电源短路，也是实施谐振的必要时间。图（a）中所示的开关管都是由理想的MOSFET管、结电容、本体二极管组成，相移谐振工作是利用开关管内部的结电容和本体二极管来进行工作的。在to时刻之前，假定开关管V1、V4导通，流过变压器初级的电流将功率传递给负载。在to时刻，V4管关断，由于输出电感Lo的反射作用，继续流动，V4管已关断，流V3管的结电容，使C4电荷增加，C3上电荷减小，节点B的电压谐振上升，直到t1时刻，V3管的本体二极管VD3正向偏置，VD3导通并钳位，直到V3导通，这样就实现了V3管的零电压导通。t2时刻为V4管、V3管之间转换，右支路的死区时间的结束，此时电流继续流过V1、V3，但没有电压加到变压器初级绕组。（a）(b)(c)图相移PWM全桥电路及其波形电路；（b）波形；（c）右支路开关实现零电压开关的谐振机理右支路开关实现零电压转换的谐振机理如图（C）所示。随后，V1管关断，在桥路的左支路死区时间内，节点A的电压谐振下降，直到V2管的本体二极管呈正向偏置，这样V2管也能在零电压下实现无损耗开通，其作用机理与右支路类似。虽然转换机理类似，但二者区别较大，在右支路V3、V4管转换前，变压器中流动着负载电流，输出滤波电感折合到初级，该电流使节点B的电压迅速升高，而左支路V1、V2管转换时，只有变压器的励磁电流和漏感起作用，因此，左支路比右支路转换需要较长的死区时间。在设计和调整电路时应充分注意这一问题。由于检测和控制的参量较多，其中需检测的模拟量为22个，开关量为2个，要控制的开关输出量为48个，因此，在电路设计上，以单片机80C31为核心，使用部分P2口线和译码器扩展了数量较多的模拟输入接口和数字输入/输出接口以及键盘输入接口、液晶显示接口等。电路原理框图如图所示，只读存储器27256（32K×8）存储程序，静态随机存储芯片62256存储检测的数据，3只8通道、8位A/D转换器ADC0809对4个整流模块的输出电压、电流、蓄电池充电电压、电流、整机输出电压、电流、输放电压等22个模拟量进行A/D转换，转换后的数字量由P0口输入。80C31接