張玉濤， 張一鳴， 朱學(xué)政， 王小麗

(北京工業(yè)大學(xué) 電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124)

便攜式電磁輻射檢測儀電源系統(tǒng)設(shè)計*

張玉濤， 張一鳴， 朱學(xué)政， 王小麗

(北京工業(yè)大學(xué) 電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124)

針對目前便攜式電磁輻射檢測儀電源系統(tǒng)的不足，設(shè)計了一種性能優(yōu)良的電源系統(tǒng)。系統(tǒng)以正激變換器為主電路，采用低邊有源箝位電路復(fù)位方式，電流峰值檢測的雙閉環(huán)控制模式，同時增加了溫度控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了功率開關(guān)管的軟開關(guān)工作模式，降低了電磁干擾，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，減小了電壓輸出紋波，改善了電源的低溫特性，增強(qiáng)了電源續(xù)航能力。該系統(tǒng)已在便攜式電磁輻射檢測儀中得到實際應(yīng)用，證明了設(shè)計的合理性。

正激變換器； 有源箝位； 雙閉環(huán)控制； 電磁干擾； 溫度控制

0 引 言

電磁輻射源多呈散點狀分布，因此電磁輻射檢測儀多為便攜式設(shè)備，由于體積的限制和檢測精度要求的提高，電磁輻射檢測儀的結(jié)構(gòu)和控制也越來越復(fù)雜，對電源系統(tǒng)的要求也越來越高，除了要求電源系統(tǒng)具有較高的效率和較高的精度外，還要有較高的電磁兼容性[1，2]。瞬間的浪涌、尖峰變化就會產(chǎn)生較大的電磁干擾，引起測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大誤差，影響電磁評估結(jié)果。電磁輻射強(qiáng)度隨輻射源功率實時變化，短時測量不能很好地反映輻射源的真實影響程度，因此，設(shè)計一個高效、續(xù)航能力強(qiáng)、精度高、電磁兼容性好的電源系統(tǒng)是非常必要的[3～5]。

針對電磁輻射檢測儀對電源系統(tǒng)的要求，本文對電源系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計。首先選定電源系統(tǒng)的總體方案，并對主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，然后對方案中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了原理分析，并對關(guān)鍵器件進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析計算。最后通過實驗得到了有效實驗數(shù)據(jù)，對電源系統(tǒng)的整體性能給出了設(shè)計結(jié)果分析及總結(jié)。

1 電源總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

電磁輻射檢測儀如圖1所示,其包括顯示器、通信系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等模塊，而電磁強(qiáng)度隨發(fā)射源功率實時變化，短時測量不能很好地反映發(fā)射源的真實影響程度，因此，要求電源系統(tǒng)必須有持久的高質(zhì)量的續(xù)航能力[6]。本設(shè)計中配置大容量鋰電池，主電路采用高頻開關(guān)電源拓?fù)湓O(shè)計。系統(tǒng)采用電流、電壓雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，提高了電路的動態(tài)性能，改善了系統(tǒng)的電壓和電流負(fù)載率。溫控系統(tǒng)以ATmega16單片機(jī)作為主控芯片，表貼式電阻膜作為加熱器件，實時監(jiān)測電池的溫度，根據(jù)檢測到的環(huán)境溫度確定是否進(jìn)行溫度補(bǔ)償，確保鋰電池最優(yōu)的放電性能，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 便攜式電磁輻射檢測儀

圖2 電源系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 主電路設(shè)計

2.1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計采用鋰電池供電，輸出電壓不能直接用于檢測儀的用電設(shè)備，因此，電路采用DC/DC直流變換，轉(zhuǎn)換成設(shè)備所需的直流電壓。開關(guān)電源DC/DC變換器有正激式、反激式、橋式等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都具有各自的優(yōu)缺點和適用場合[7]。

受制于體積的限制，便攜式設(shè)備需要供電系統(tǒng)具有大功率密度和高效率，由于正激變換器和反激變換器具備這兩個優(yōu)點，因此適合本設(shè)計的電路要求。反激變換器沒有濾波電感，輸出紋波較大，精度低；正激變換器結(jié)構(gòu)簡單，帶負(fù)載能力強(qiáng)，通過合理設(shè)計輸出端的LC濾波器，可以使輸出電壓具有較低的紋波系數(shù)，因此，本設(shè)計主電路選用正激變換器。

受制于正激變換器的工作特點，為了防止高頻變壓器的磁芯飽和，每個開關(guān)周期都必須進(jìn)行磁復(fù)位，因此，主電路中還需要對復(fù)位電路進(jìn)行設(shè)計。

2.2 復(fù)位電路設(shè)計

自正激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出起，復(fù)位電路的設(shè)計就是研究的重點，經(jīng)過多年的研究，提出了許多有效的磁復(fù)位技術(shù)[8]。本設(shè)計采用低邊有源箝位正激變換器復(fù)位方式，低邊有源箝位電路結(jié)構(gòu)簡單，由一個箝位電容和P溝道的MOSFET組成，并聯(lián)于主開關(guān)管的漏源極兩側(cè)，如圖3所示。該復(fù)位技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器磁芯的自動復(fù)位，同時實現(xiàn)了勵磁電流雙向流動，提高了磁芯的利用率。另外，利用箝位電容的電壓限制作用，減小了主開關(guān)管關(guān)斷期間的電壓應(yīng)力。更為重要的，利用諧振區(qū)間，低邊有源箝位正激變換器能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓軟開關(guān)工作模式，這不僅降低了開關(guān)管和變壓器的損耗，而且降低了電路的dv/dt和di/dt。這對于降低電磁檢測系統(tǒng)自身干擾，提高測量精度具有重要的意義。

2.2.1 箝位電容計算

容值和可承受電壓是選擇箝位電容需要考慮的兩個最重要的因素。由變壓器勵磁電感伏秒積原理得

D×Vin=(1-D) ×Vc-(1-D)×Vin

(1)

簡化可得，箝位電容電壓為

(2)

式中D為占空比，Vin為輸入電壓，Vc為電容電壓。

由于制造工藝、電容材質(zhì)等因素影響，箝位電容上的電壓會產(chǎn)生一定的波動。電容值的大小不僅會影響其上電壓紋波，還會影響電路的暫態(tài)響應(yīng)速度。在實際的選取中，電壓紋波最大為電容最大電壓的10 %，箝位電容Cc可估算為

(3)

式中Lm為勵磁電感，f為工作頻率，Dmin為最小占空比。

2.2.2 驅(qū)動電路設(shè)計

在電路工作時，主開關(guān)管Q1和箝位開關(guān)管Q2的門極驅(qū)動信號是互補(bǔ)的(忽略死區(qū))，箝位開關(guān)管是一個P溝道的MOSFET，門極需要一個負(fù)向的驅(qū)動電壓，因此需要單獨設(shè)計驅(qū)動電路。驅(qū)動電路采用TI公司的UCC2897A驅(qū)動芯片，它能夠輸出兩路同步驅(qū)動波形，可編程死區(qū)、最大占空比限制等功能，通過設(shè)計R1,C1,D1組成的簡單外圍電路即可提供所需的驅(qū)動信號，驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3 門極驅(qū)動電路

當(dāng)AUX端輸出為高電平時，二極管D1正向?qū)ǎ娙軨1充電到Vp，箝位開關(guān)管Q2的門極電壓為零；當(dāng)AUX端輸出變?yōu)榈碗娖綍r，電容通過電阻R1放電，Q2的門極電壓為負(fù)。如果由電容C1和電阻R1決定的時間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于脈寬調(diào)制(PWM)波的周期，那么就可以認(rèn)為C1兩端的電壓基本不變，Q2對地電壓為-Vp。這樣，應(yīng)用UCC2897A芯片和簡單的外圍電路，實現(xiàn)了主開關(guān)管和輔助開關(guān)管的門極驅(qū)動。

2.3 PWM控制設(shè)計

系統(tǒng)采用TI公司專門針對有源箝位電路推出的專用芯片UCC2897A。傳統(tǒng)的電壓控制模式屬于單環(huán)控制模式，具有電壓穩(wěn)定響應(yīng)速度慢，動態(tài)性能差的缺點[9]。為了克服這一缺點，控制系統(tǒng)采用峰值電流模式。首先通過采樣電阻對初級電流進(jìn)行采樣，然后將得到的采樣電壓通過電壓比較器與誤差放大器的輸出信號進(jìn)行比較，從而實現(xiàn)PWM脈沖占空比的控制。這種控制方式實現(xiàn)了由電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)組成的雙閉環(huán)控制，使得輸出電壓能夠快速穩(wěn)定，具有很好的動態(tài)特性，改善了開關(guān)電源的電壓和電流調(diào)整率,如圖4所示。

圖4 電流控制模式原理圖

3 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

對于開關(guān)電源的研究，重點往往更多地放在開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和控制方式上，對于溫度的影響還沒有太多的關(guān)注。但是檢測設(shè)備經(jīng)常會工作于惡劣的環(huán)境下，為了驗證溫度對鋰電池放電容量的影響，采用哈丁科技公司的HLT708P高低溫試驗箱進(jìn)行了放電試驗，溫度變化范圍為-20～50 ℃。

放電試驗以25 ℃下的放電時間為基準(zhǔn)，相對放電量設(shè)為100 %，然后通過控制電源所在的試驗箱溫度，在負(fù)載不變的情況下，觀察不同溫度下的電源放電情況，見表1。(表中設(shè)定溫度表示設(shè)定的高低溫箱內(nèi)環(huán)境溫度，測量溫度表示通過溫度傳感器讀取到的鋰電池周圍的溫度。)

表1 電池溫度特性表

設(shè)定溫度/℃測量溫度/℃相對放電量/%設(shè)定溫度/℃測量溫度/℃相對放電量/%-20-19．852．125(基準(zhǔn))25．2100．0-10-9．961．34040．2101．800．273．55050．196．61010．181．3

通過實驗顯示，溫度是制約電池放電容量的一個重要因素。特別是在低溫時，提高鋰電池所處的環(huán)境溫度可以大大提高其放電性能，高溫下其放電性能變化不大，當(dāng)溫度繼續(xù)升高，性能略有下降，因此，需要設(shè)計溫度控制系統(tǒng)以提高電池的低溫特性。

溫度控制系統(tǒng)采用ATmega16作為控制芯片，重量輕的表貼式薄膜電阻作為加熱器件，選用NS公司的LM35A溫度傳感器來實時監(jiān)測環(huán)境溫度。工作過程為：溫度傳感器檢測到環(huán)境溫度低于設(shè)定的工作溫度，輸出電壓信號，通過放大器放大后輸入到單片機(jī)的A/D采樣端口，單片機(jī)根據(jù)實際溫度與設(shè)定溫度的差，確定輸出的PWM波的占空比，單片機(jī)輸出的PWM波信號通過三極管放大電路驅(qū)動MOS管開通，電阻絲工作，將電池加熱至設(shè)定溫度，控制電路如圖5所示。PWM波占空比是根據(jù)不同溫度下，電阻絲所消耗的能量與電池放電容量減少量對比之后確定的，以防止能量得不償失。

圖5 溫度控制電路

4 性能測試

4.1 輸出電壓性能

采用高精度數(shù)字示波器和可編程直流電子負(fù)載，對電源進(jìn)行性能測試。設(shè)計額定輸入電壓為72 V，輸出電壓為12 V，測得電源輸出紋波為0.98 V。電源調(diào)整率測量數(shù)據(jù)如表2和表3所示，可得負(fù)載調(diào)整率為1 %，電壓調(diào)整率為0.1 %。由測試數(shù)據(jù)可以看出，電源變換器輸出紋波較小，具有良好的負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率，很好地滿足了便攜式電磁輻射檢測儀的電源要求。

表2 負(fù)載調(diào)整率實驗數(shù)據(jù)表

Vin/VVo/VIo/AVin/VVo/VIo/A7212．081．07212．0011．07212．022．07212．0212．07212．014．07212．0013．07212．006．07211．9914．07212．0010．07211．9615．0

表3 電壓調(diào)整率實驗數(shù)據(jù)表

Vin/VVo/VIo/AVin/VVo/VIo/A6411．9915．07411．9915．06611．9915．07611．9815．06811．9915．07811．9815．07011．9915．08011．9815．07211．9915．08211．9815．0

4.2 補(bǔ)償后溫度特性

表4是添加溫度控制系統(tǒng)后，經(jīng)過溫度補(bǔ)償后測得的電池相對放電量，同時還用示波器讀取了不同溫度下的PWM波占空比。通過表中數(shù)據(jù)看出，添加溫度控制系統(tǒng)后，鋰電池的低溫性能得到了很大的改善，放電容量得到了很大的提高。

表4 溫度補(bǔ)償后電池特性表

設(shè)定溫度/℃測量溫度/℃PWM占空比/%相對放電量/%-20010070．0-1015．27582．3019．05387．51023．73192．325(基準(zhǔn))25．20100．04040．20100．85050．1096．4

5 結(jié) 論

本文設(shè)計的便攜式電磁輻射檢測儀的電源系統(tǒng)以正激變換器為主電路，采用低邊有源箝位電路復(fù)位，采用雙閉環(huán)控制策略，實現(xiàn)了軟開關(guān)模式，降低了開關(guān)損耗和電磁干擾，提高了電源精度，根據(jù)實驗結(jié)果設(shè)計了溫度補(bǔ)償控制系統(tǒng)，改善了電源系統(tǒng)的低溫特性，提高了電源效率。

該電源系統(tǒng)已經(jīng)實際應(yīng)用于便攜式電磁輻射檢測儀中，提高了電磁輻射檢測儀的檢測精度，實現(xiàn)了連續(xù)長時間的測量，效果良好，并順利通過國家項目驗收。

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Power system design of portable electromagnetic radiation detector*

ZHANG Yu-tao, ZHANG Yi-ming, ZHU Xue-zheng, WANG Xiao-li

(School of Electronic Information and Control Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

Aiming at the shortage of the power supply system of the portable electromagnetic radiation detector,a power supply system with excellent performance is designed.The system adopts forward converter as the main circuit and adopts the low side of the active clamp circuit as reset circuit.The double closed-loop control mode,the current peak detection is adopted and a temperature control system is added.The soft switching operation mode of the power switch tube is realized,the electromagnetic interference is reduced,the dynamic response is improved,and the voltage output ripple is reduced.Low-temperature characteristics is improved for enhancing power endurance.The system is applied in portable electromagnetic radiation detector,the rationality of design is proved.

forward converter; active clamp; double closed-loop control; electromagnetic interference(EMI); temperature control

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0084—04

2016—03—23

國家科技支撐計劃資助項目(2012BAJ24B00)

TN86

A

1000—9787(2017)02—0084—04

張玉濤(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向為開關(guān)電源與電磁檢測設(shè)備研發(fā)等。