朱興喜 史兆榮 湯黎明 王星星 戚仕濤 于春華

1 前言

應(yīng)急UPS（不間斷電源Uninterruptible Power Supply）電源整體體積較大，內(nèi)部使用蓄電池供電使得其整體重量較重，不方便攜帶，同時UPS電源在蓄電池貯能耗盡時需要交流充電，在無交流電時也不能工作，因此為方便在野外使用便攜式高頻止血器，我們設(shè)計了一款新穎的交、直流充電兩用的供電裝置，它重量輕，體積小，在有交流電時由交流電供電，在無交流電時由本身鋰離子電池或洗車電瓶逆變供電，并且鋰離子電池可由交流電、洗車電瓶充電，確保在應(yīng)急時使用。下面介紹電路的設(shè)計原理及應(yīng)用。

2 電路原理

2.1 交流電供電和充電電路

交流電分為兩路，一路直接給便攜式高頻止血器供電；另一路通過A/D電源轉(zhuǎn)換，為鋰離子電池充電。

電源從交流電轉(zhuǎn)換為直流電通常有兩種方式，一是直接用變壓器降壓，然后整流濾波得到直流電壓；二是先整流濾波得到300 V的直流電，再通過開關(guān)電源電路得到直流電壓。前一種方式比較方便直接，但降壓變壓器體積相對較大，重量偏重，不適合攜帶。后一種方式電路相對復(fù)雜一點，但重量和體積方面較前一種方法相比重量輕、體積小，便于機動。根據(jù)實際需求，本文電源轉(zhuǎn)換電路適合采用第二種方式[1-3]。電路如圖1所示。

圖1 交流轉(zhuǎn)換直流電路圖

圖1中B1、C1為交流整流濾波元器件，得到300 V左右的直流電壓，為M62213FP、T1、Q1等提供工作電源。M62213FP是一種高速開關(guān)電源控制器，它由振蕩器、PWM比較器、誤差放大器、輸出電路、過電壓保護兼定時閉鎖電路、過電流保護電路以及軟啟動電路等組成，如圖2所示。

圖2 M62213FP內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

在圖2中從Vout輸出工作頻率為700 kHz的開關(guān)信號，輸出電流峰值為±1 A，采用推拉輸出電路，啟動前電路的電流很小，典型值為130 μA，啟動開始與停止時電壓差較大，啟動開始電壓為12.5 V，啟動停止電壓為8.3 V，這樣可減小輸入平波電容。片內(nèi)具有欠壓鎖定（UVLO），高速限流、過壓兼定時閉鎖（TIMER LATCH）、死區(qū)控制兼軟啟動（SOFT）、光電耦合器直接激勵的反饋用誤差放大器和防止低電壓時輸出誤動作等功能電路。該電源輸出脈沖的導通時間由接在SOFT端的電阻確定，如果與此電阻并聯(lián)一只電容，那么啟動時導通時間逐漸增大，這樣就可以實現(xiàn)軟啟動。另外，COLLECT和EMIT在內(nèi)部已分別連接VCC和GND。在圖1中，300 V的電源經(jīng)R1和R2分壓為M62213FP開始工作時的啟動電壓，當正常工作時由回掃變壓器的一個繞阻經(jīng)整流二極管D1整流、C3濾波提供，此時的電壓與輸出電壓成比例，因此，還可用于進行反饋控制與過電壓檢測。為防止噪聲引起誤動作，接入R10和C7構(gòu)成的濾波器濾除噪聲。C5、R7組成軟啟動，R8和C6為外接振蕩反饋元器件，由R9輸出驅(qū)動開關(guān)電源NMOS場效應(yīng)管Q1，再經(jīng)T1連接300 V直流電源，當Q1導通時，300 V直流電源流經(jīng)T1和R11到地，T1貯能，當Q1截止時，回掃變壓器的另一個繞阻經(jīng)D1整流和C3濾波，在C3上產(chǎn)生直流電壓，供集成塊工作用電[4]。同時，變壓器次級端經(jīng)D4、C8產(chǎn)生后級工作直流電壓。由C9、D6、C10、D7和繼電器K1組成交流電和洗車電瓶電源切換電路，當有交流電時，洗車電瓶的a、b連線斷開，只由交流電為后級電路提供電源，當無交流電或斷開時，洗車電瓶為后級電路提供工作電源（DC OUTPUT）。

2.2 直流充電和逆變供電電路

2.2.1 充電電路

鋰離子電池需要充電電路，其充電電源由圖1輸出（DC OUTPUT）提供。鋰離子電池的充電電路如圖3所示。

圖3 鋰離子電池充電電路圖

接入DC output輸出電壓為24 V，經(jīng)過D8和F2（保險絲）輸入到充電電路。由于鋰離子電池對充電比較苛刻，比蓄電池、鎳氫/鎳鎘電池的充電控制要嚴格的多，因此在電路設(shè)計上要考慮：①對深度放電的鋰離子電池要涓流充電；②在正常情況下應(yīng)先恒流充電然后再恒壓充電，防止過充；③在電壓低于某一值時應(yīng)自動能充電，防止過放；④電池充電達到一定值時要結(jié)束充電；⑤電流放電過大要保護電池，防止過流；⑥要有電源指示、充電指示和充滿指示；⑦盡量縮小空間和使用精小元器件，減少體積和重量。CN3704是脈寬調(diào)制集成塊，當VCC管腳電壓大于低壓鎖存閾值，并且大于電池電壓時，充電器正常工作，DRV驅(qū)動Q2對電池充電。如果電池電壓低于11.2 V，充電器自動進入涓流充電模式，此時充電電流為所設(shè)置的恒流充電電流的5%。當電池電壓大于11.2 V，充電器進入恒流充電模式，此時充電電流由內(nèi)部的200 mV基準電壓和一個外部電阻RCS設(shè)置，即充電電流為200 mV/ RCS。當電池電壓繼續(xù)上升接近恒壓充電電壓時，充電器進入恒壓充電模式，充電電流逐漸減小。在圖3中，當充電電流減小到EOC管腳電阻設(shè)置的值時，充電結(jié)束，DRV管腳輸出高電平。漏極開路輸出管腳內(nèi)部的晶體管關(guān)斷，輸出為高阻態(tài)；另一個漏極開路輸出管腳內(nèi)部的晶體管接通，輸出低電平，以指示充電結(jié)束狀態(tài)。充電時D12亮，充電結(jié)束時D11亮，便于觀察。在充電結(jié)束狀態(tài)，如果斷開輸入電源，再重新接入，將開始一個新的充電周期，如果電池電壓下降到再充電閾值16 V，那么也將自動開始新的充電周期。當輸入電壓掉電時，CN3704自動進入睡眠模式，內(nèi)部電路被關(guān)斷，這樣可以減少電池的電流消耗，延長待機時間[5-7]。其它各元器件的參數(shù)如表1所示。

2.2.2 逆變電路

鋰離子電池輸出電壓，為逆變電路提供電源，如圖4所示。

表1 各元器件的參數(shù)

圖4 逆變電路圖

在電路中，采用TL494脈寬調(diào)制集成塊進行逆變，第1、2腳構(gòu)成穩(wěn)壓取樣、誤差放大系統(tǒng)，正相輸入端1腳輸入逆變器次級取樣繞組由D13、D14整流，C25濾波輸出的15 V直流電壓，經(jīng)R21、R22分壓，使第1腳在逆變器正常工作時有近4.7～5.6 V取樣電壓。反相輸入端2腳輸入5 V基準電壓(由14腳輸出)。當輸出電壓降低時，1腳電壓降低，誤差放大器輸出低電平，通過PWM電路使輸出電壓升高。正常時1腳電壓值為5.4 V，2腳電壓值為5 V，3腳電壓值為0.1 V。第4腳外接R26、R24、C22設(shè)定死區(qū)時間。正常電壓值為0.01 V。第5、6腳外接C23、R25，設(shè)定振蕩器三角波頻率為100 Hz。第7腳為共地。第8、11腳為內(nèi)部驅(qū)動輸出三極管集電極，第12腳為TL494前級供電端，此三端通過開關(guān)S3控制TL494的啟動/停止，作為逆變器的控制開關(guān)。當S3關(guān)斷時，TL494無輸出脈沖，因此開關(guān)管Q3、Q4無任何電流。S3接通時，此三腳電壓值為蓄電池的正極電壓。第9、10腳為內(nèi)部驅(qū)動級三極管發(fā)射極，輸出兩路時序不同的正脈沖。第13、14、15腳其中14腳輸出5 V基準電壓，使13腳有5 V高電平，控制門電路，觸發(fā)器輸出兩路驅(qū)動脈沖，用于推挽開關(guān)電路。第15腳外接5 V電壓，構(gòu)成誤差放大器反相輸入基準電壓，以使同相輸入端16腳構(gòu)成高電平保護輸入端。此接法中，當?shù)?6腳輸入大于5 V的高電平時，可通過穩(wěn)壓作用降低輸出電壓，或關(guān)斷驅(qū)動脈沖而實現(xiàn)保護。在它激逆變器中輸出超壓的可能性幾乎沒有，故該電路中第16腳未用，由電阻R18接地。振蕩器的頻率由f=1.1/ R25×C23計算可得頻率為100 Hz。變壓器輸出端接C26、L4、C27，此三個元器件組成波形校正和低通濾波器，因為變壓器輸出為方波，需要進行正弦校正，同時防止高頻諧波輸出到下一級電路。其參數(shù)由公式L4=RZ/πfG和C27=1/πfGRZ而定，其中fG取500 Hz，RZ后級負載，取220 Ω。

3 應(yīng)用分析

從交流轉(zhuǎn)換直流電路、充電電路和逆變電路的結(jié)構(gòu)來看，外接很少元件，就可構(gòu)成功能較為完善的應(yīng)急電源。在圖1中設(shè)定直流輸出為24 V，在調(diào)試時將輸出端連接5 Ω左右的負載，可以改變R4、R5的電阻值，也可以改變R8、C6，改變振蕩頻率來實現(xiàn)。圖2中D9、D10要選用肖特基二極管，輸出電流設(shè)定值為4 A，決定電流的主要元器件除CN3704外，RCS、L3和Q2也要選定好，Q2要選用電流大于4 A以上的PMOS管，RCS直接決定充電電流的大小，要精心計算選定。圖3中，該電路幾乎不經(jīng)多大調(diào)試即可正常工作。當C25正極端電壓為12 V時，R1可在3.6～4.7 kΩ之間選擇，本電路選用10 kΩ電位器調(diào)整，使輸出電壓為額定值。如果輸出的頻率偏離50 Hz較大，就需要調(diào)整R25和C23的值，在調(diào)試時應(yīng)將R25換為變阻器，使輸出頻率在50 Hz左右時，再測量阻值，將接近的電阻值電阻更換便可。如將此逆變器輸出功率增大，可選用多個MOS管并聯(lián)，而不選用單只IDS大于50 A的開關(guān)管，其原因一是價格較高，二是驅(qū)動太困難。在逆變輸出時其波形雖然是交流電，在后級可以正常使用，但波形不是標準的正弦波，雖然進行了波形整形以及低通濾波的處理，卻與民用交流電的波形有些偏差，有待于改進。

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