摘 要： 為實(shí)現(xiàn)供電電源的低紋波輸出，采用紋波控制方法，設(shè)計(jì)了一種雙電池充供欠滿自主切換的低紋波直流電源，并對(duì)電源進(jìn)行紋波特性測(cè)試。原始信號(hào)通過(guò)電壓采集電路傳輸給控制主電路，控制主電路依據(jù)采集到的電壓信號(hào)和繼電器開關(guān)的通斷原則來(lái)控制充供電選擇電路，可供電電池通過(guò)線性電壓調(diào)整電路即可實(shí)現(xiàn)一路5 V和兩路可調(diào)電壓輸出，實(shí)現(xiàn)了從充電到供電的低紋波直流穩(wěn)壓輸出。電源紋波測(cè)試采用同軸電纜測(cè)試裝置，測(cè)試數(shù)據(jù)表明：低紋波直流穩(wěn)壓電源運(yùn)行狀況良好，輸出電壓穩(wěn)定，與其他直流電源相比，在紋波控制方面具有較大優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵字： 直流電源； 低紋波； 雙電池； 通斷原則

中圖分類號(hào)： TN86?34； TP303+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）14?0150?04

Design and implementation of low?ripple dual battery DC regulated power supply

LI Jie， CHENG Weibin， FENG Du， MAN Rongjuan

（School of Electronic Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065， China）

Abstract： In order to realize the low?ripple output of the power supply， a low?ripple dual battery DC power supply was designed with the ripple control method， which can switch from the low power state to full power state automatically. The ripple characteristic test for the power supply was performed. The original signal is transmitted to the main control circuit through the voltage acquisition circuit， and then the main control circuit is used to control the charging and supplying power selection circuit according to the on?off principle of the relay switch and collected voltage signal. The power supply battery can realize +5V voltage output in one channel and adjustable voltage output in two channels through the linear voltage adjustment circuit. The low ripple DC voltage regulator output from charging state to supplying power state was implemented. A coaxial?cable testing device was adopted in power supply ripple test. The test data shows that the low ripple DC regulated power supply has good running condition and greater advantage in ripple control in combination with other DC power supply， and its output voltage is stable.

Keywords： DC power supply； low ripple； dual battery； on?off principle

0 引 言

提高參數(shù)測(cè)量精確度的重要方法是降低各類誤差，其中直流電源紋波是產(chǎn)生誤差的主要根源之一。二極管工頻整流后直流電源有較大的工頻紋波，需要較大容量濾波器件；開關(guān)電源采用高頻工作，濾波器件體積和容量降低[1]，但存在高頻紋波，雖然通過(guò)增加電路濾波器件可降低紋波，有時(shí)可達(dá)幾毫伏，但仍達(dá)不到高精度測(cè)量的要求[2]。

本身沒(méi)有紋波的直流電池供電是一種較好的選擇，可以得到高質(zhì)量的直流電源供應(yīng)，但單一電池的容量有限，需要充電。有些電源采用交流供電、電池備用的方式，可保證交流失電后一段時(shí)間內(nèi)的供電，交流供電時(shí)的紋波仍然存在。

為了克服了現(xiàn)有工頻整流穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源紋波控制技術(shù)的不足，以及電池容量有限不能持續(xù)低紋波輸出的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于STC89C54的低紋波雙電池直流穩(wěn)壓電源。

1 硬件電路原理

系統(tǒng)的硬件主要包括控制主電路、電壓采集電路、充電選擇電路、供電選擇電路、線性電壓調(diào)整電路、可充電電池以及電源適配器，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

控制主電路包括單片機(jī)STC89C54、A/D轉(zhuǎn)換器PCF8591和LCD12864。PCF8591把模擬型的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，供單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理；單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前電池的充、供、欠、滿4種狀態(tài)和繼電器通斷原則，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙電池充電和供電的最優(yōu)控制；液晶顯示器顯示各個(gè)電池的充、供、欠、滿4種狀態(tài)，并且實(shí)時(shí)顯示各個(gè)電池當(dāng)前電壓以及充電電池的充電電流，為使用者提供便捷。

電壓采集電路由分壓電阻、運(yùn)算放大器和充電電流采樣電阻組成，電池端電壓首先通過(guò)分壓電阻分壓，再由運(yùn)算放大器調(diào)整到可采集的電壓范圍，最后傳輸?shù)絇CF8591進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，而充電電流采樣電阻的作用是把充電電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

充電選擇電路和供電選擇電路分別是由兩個(gè)繼電器開關(guān)和兩個(gè)二極管組成[3]，控制主電路遵循通斷原則控制繼電器閉合與斷開，在保障持續(xù)供電的前提下，盡可能使穩(wěn)壓電源低紋波輸出。線性電壓調(diào)整電路采用線性穩(wěn)壓模塊、濾波電路和緩沖電路來(lái)穩(wěn)定輸出和降低開關(guān)調(diào)整產(chǎn)生的諧波，以此實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的低紋波輸出。可充電電池選擇12 V電池，并配備相應(yīng)的電源適配器。雙電池低紋波直流穩(wěn)壓電源供電原理圖如圖2所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 控制主電路設(shè)計(jì)

控制主電路是以自帶看門狗的單片機(jī)STC89C54為控制核心，A/D轉(zhuǎn)換器PCF8591輸出的數(shù)字信號(hào)和充供繼電器開關(guān)的通斷情況作為單片機(jī)的輸入信號(hào)，LCD12864為顯示輸出，單片機(jī)遵循以下幾個(gè)通斷原則控制雙電池的充供電：

（1） 該電池充電開關(guān)需要閉合時(shí)，必須同時(shí)滿足：

① 該電池處于未充滿狀態(tài)；

② 該電池的供電開關(guān)處于斷開狀態(tài)（即該電池不供電）；

③ 另一電池的充電開關(guān)處于斷開狀態(tài)（即兩個(gè)電池不同時(shí)充電）。

（2） 該電池充電開關(guān)需要斷開時(shí)，只需滿足其一即可：

① 該電池處于充滿狀態(tài)；

②該電池的供電開關(guān)即將閉合（即需要該電池供電）；

③另一電池的充電開關(guān)即將閉合（即兩個(gè)電池不同時(shí)充電）。

（3） 該電池供電開關(guān)需要閉合時(shí)，必須同時(shí)滿足：

① 該電池處于不欠電狀態(tài)；

② 該電池的充電開關(guān)處于斷開狀態(tài)（即該電池不充電）；

③ 另一電池的供電開關(guān)即將斷開（即兩個(gè)電池不同時(shí)供電，但為了保證后級(jí)供電，需要該電池供電開關(guān)閉合后，另一電池供電開關(guān)才能斷開）。

（4） 該電池供電開關(guān)需要斷開時(shí)，只需滿足其一即可：

① 該電池處于欠電狀態(tài)；

② 該電池的充電開關(guān)即將閉合（即該電池需要充電）；

③ 另一電池的供電開關(guān)已經(jīng)閉合（為保證后級(jí)供電，另一電池供電開關(guān)閉合后，該電池供電開關(guān)才能斷開）。

如圖2所示，以上四條通斷原則邏輯關(guān)系可總結(jié)為：

式中：B1Q，B1M分別代表B1電池欠電和B1電池滿電。

以通斷原則為根本控制思想，完成軟件程序的編寫和調(diào)試，是實(shí)現(xiàn)低紋波、穩(wěn)定、持續(xù)供電的核心思路。

2.2 電壓采集電路設(shè)計(jì)

由于電池充電時(shí)，采集到的電池端電壓是充電器的端電壓，不能只用電池端電壓值來(lái)判斷電池是否滿電，所以需要電池端電壓信號(hào)采集電路和充電電流信號(hào)采集電路配合使用[4?5]。

電池端電壓信號(hào)采集電路又可分為正極性電池電壓信號(hào)采集和負(fù)性電池電壓信號(hào)采集，由于所選擇的串行A/D轉(zhuǎn)換芯片PCF8591可識(shí)別0～5 V電壓信號(hào)[6]；故正極性電池電壓信號(hào)需通過(guò)一組分壓電阻分壓為0～5 V，再接電壓跟隨器即可采集成功；而負(fù)極性電池電壓信號(hào)由于負(fù)電壓的特殊性，需先通過(guò)分壓電阻分壓為反相運(yùn)算放大器可識(shí)別的電壓范圍內(nèi)，然后選擇合適的放大倍數(shù)，反向放大到合適的電壓區(qū)間[7]。負(fù)極性電池端電壓信號(hào)采集電路如圖3所示。

充電電流信號(hào)采集電路也可分為正極性充電電流信號(hào)采集和負(fù)性充電電流信號(hào)采集。采集到信號(hào)實(shí)際上是電壓信號(hào)，但是考慮到功耗問(wèn)題，所選用的采樣電阻十分小，故采集到的電壓信號(hào)十分微弱，所以分別需要通過(guò)同相比例放大器和反向比例放大器來(lái)放大采集到的微弱電壓信號(hào)，并且在放大器輸入端加入了RC濾波電路來(lái)抑制干擾。

這樣就使得所有電壓信號(hào)滿足PCF8591芯片的采集范圍，為后級(jí)控制主電路的信號(hào)輸出提供參考。正極性充電電流信號(hào)采集電路如圖3所示。

2.3 其他電路設(shè)計(jì)

除了控制主電路和電壓采集電路，該系統(tǒng)還包括充電選擇電路、供電選擇電路、線性電壓調(diào)整電路、可充電電池和電源適配器。

這幾部分電路中，充電選擇電路和供點(diǎn)選擇電路分別是由兩個(gè)5 V繼電器和兩個(gè)二極管組成，由單片機(jī)根據(jù)通斷原則依次輸出高低電平來(lái)控制各個(gè)繼電器的導(dǎo)通和斷開，二極管的單向?qū)ㄐ裕ＷC了充電電流或者供電電流的單向性；線性電壓調(diào)整電路通過(guò)三塊線性穩(wěn)壓模塊分別可實(shí)現(xiàn)一路5 V和兩路可調(diào)電壓輸出，穩(wěn)壓模塊前級(jí)輸入和后級(jí)輸出分別并聯(lián)0.1 μF普通電容和100 μF電解電容來(lái)對(duì)輸入/輸出電流濾波和緩沖，達(dá)到穩(wěn)定輸出和降低開關(guān)調(diào)整諧波的目的，以此實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的低紋波輸出。

線性穩(wěn)壓模塊的性能要求輸入電壓比輸出電壓高2～3 V，所以本設(shè)計(jì)選擇無(wú)紋波的12 V可充電電池為后級(jí)電路提供低紋波直流電壓，前級(jí)交流充電選擇與之匹配的電源適配器提供充電電流。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

低紋波雙電池穩(wěn)壓電源開始上電，程序初始化完成，接著將采集到的電壓信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換并顯示于LCD12864，然后控制主電路判斷雙電池是否均欠電，若均欠電，則充滿一個(gè)電池，再依次執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換子程序、電池狀態(tài)掃描子程序、供電子程序、充電子程序以及液晶顯示子程序；若至少一個(gè)電池不欠電，則直接執(zhí)行后級(jí)子程序。設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

4 電源紋波測(cè)試分析

電源制作并調(diào)試完畢后，采用同軸電纜測(cè)試裝置來(lái)對(duì)電源進(jìn)行紋波測(cè)試，在被測(cè)電源的輸出端接RC電路后經(jīng)輸入同軸電纜后接示波器的AC輸入端，具體連接方法如圖5所示[8]。

示波器選用RIGOL公司的DS1204B，在示波器的設(shè)置方面，應(yīng)注意盡量使用示波器最靈敏的量程檔，打開AC耦合和帶寬限制功能，表筆選用同軸電纜，并設(shè)置衰減比為1倍[9?10]。

根據(jù)以上方法，分別對(duì)普通直流電源（興隆NS?3）、可編程直流電源（RIGOL DP832）和本設(shè)計(jì)的低紋波直流電源進(jìn)行紋波對(duì)比，三種電源輸出電壓均為5 V，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，普通直流電源輸出紋波為5.36 mV，可編程直流電源輸出紋波為2.88 mV，低紋波直流電源輸出紋波為400 μV。

紋波對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知，同環(huán)境、同電流以及同負(fù)載情況下，本文設(shè)計(jì)的低紋波直流電源輸出紋波電壓低于500 μV，在輸出紋波方面優(yōu)于其他直流電源。

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)的低紋波直流電源可以準(zhǔn)確識(shí)別電池電壓和充電電流，并能遵循開關(guān)通斷原則實(shí)時(shí)控制繼電器，控制狀況良好。輸出紋波對(duì)比試驗(yàn)表明：本設(shè)計(jì)在紋波控制方面具有較大優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)高精度參數(shù)測(cè)量的有效途徑。

目前，該低紋波雙電池直流穩(wěn)壓電源已成功應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井測(cè)斜儀中，電源工作穩(wěn)定可靠，參數(shù)測(cè)量精確度明顯提高。

注：本文通訊作者為程為彬。

參考文獻(xiàn)

[1] 賈洪成.一種新型的直流穩(wěn)壓[J].電氣時(shí)代，2000（4）：22?23.

[2] 劉金濤，田書林，付在明.一種高精度低紋波的DC?DC電源設(shè)計(jì)[J].中國(guó)測(cè)試，2010，36（6）：62?64.

[3] 陳霖，王麗文，錢渭，等.繼電器的選擇和使用[J].機(jī)電元件，2011，31（6）：43?49.

[4] 喬波強(qiáng)，侯振義，王佑民.蓄電池剩余容量預(yù)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].電源世界，2012（2）：21?26.

[5] JIANG Jiuchun， WEN Feng， WEN Jiapeng， et al. Battery management system used in electric vehicles [J]. Power electronics， 2011， 45（12）： 2?10.

[6] 周劍利，郭建波，崔濤.具有I2C總線接口的A/D芯片PCF8591及其應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005，21（7）：150?151.

[7] 崔張坤，梁英，龍澤，等.鋰電池組單體電壓采集電路的設(shè)計(jì)[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（3）：29?33.

[8] 程惠，任勇峰，王強(qiáng).電源紋波的測(cè)量及抑制[J].電源技術(shù)，2012，36（12）：1899?1900.

[9] 高增鑫.基于RIGOL數(shù)字示波器的電源紋波自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[J].世界產(chǎn)品與技術(shù)，2008（10）：87?88.

[10] 王旭東，張方華，肖旭，等.帶雙Buck逆變器的DC/DC變換器低頻電流紋波抑制[J].電力電子技術(shù)，2013，47（5）：35?37.

[11] 方瑩，陳軍峰，吳智正.一種雙鋰電池組供電的混合動(dòng)力汽車電池組設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（22）：155?157.