于來(lái)寶，王典洪

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 地球物理與空間信息學(xué)院，武漢 430074；2.武漢城市職業(yè)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，武漢 430071）

X射線熒光分析在物質(zhì)成分分析領(lǐng)域具有重要的地位，X射線熒光分析（XRF）與X射線衍射分析（XRD）相結(jié)合，即可得到物質(zhì)的元素構(gòu)成，也能得到物質(zhì)的分子構(gòu)成和百分比含量，與ICP等其他方法相比具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，XRF已成為工業(yè)部門、科研院所重要的分析儀器設(shè)備，XRF技術(shù)在各種科研和工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，也得到不斷的發(fā)展，同時(shí)，各種實(shí)際應(yīng)用環(huán)境也對(duì)XRF提出了新的要求。目前，XRF的應(yīng)用不僅局限于實(shí)驗(yàn)室等固定場(chǎng)所，在野外應(yīng)用日趨廣泛，便攜式XRF應(yīng)運(yùn)而生。Xenemetrix、荷蘭帕納科、哈里伯頓等世界主要XRF生產(chǎn)商都推出了便攜式XRF設(shè)備，我國(guó)科研工作者也對(duì)便攜式XRF進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定的成果[1]。

為保證輕便，便攜式XRF往往選用鋰電池作為電源，與鉛酸蓄電池（40 Wh/kg）、鎳鎘蓄電池（50～60 Wh/kg）等相比，鋰離子電池（130～700 Wh/kg）具有更高的能量密度，且鋰電池技術(shù)成熟，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格溫度、濕度、振動(dòng)測(cè)試，工作穩(wěn)定可靠，可適應(yīng)復(fù)雜多變的野外環(huán)境[2]。但隨著XRF老化，內(nèi)部電化學(xué)物質(zhì)不均勻，鋰電池容量會(huì)不斷損失，待機(jī)時(shí)間會(huì)逐漸下降，這將對(duì)XRF在野外的正常使用產(chǎn)生不利影響。

因此，按照鋰電池的工作特性，設(shè)計(jì)一種XRF智能充電電路，修復(fù)鋰電池過(guò)放電和內(nèi)部不均勻?qū)е碌娜萘繐p失，同時(shí)提高電池后級(jí)電路的能量使用效率，具有積極的意義。

1 便攜式XRF總體結(jié)構(gòu)

便攜式XRF整機(jī)主要由電源、X射線管電源、X射線管、檢測(cè)與保護(hù)電路、SI-PIN探測(cè)器及探測(cè)分析器件等主要部分組成，如圖1所示[3]。主要電路部件型號(hào)：

鋰電池組由上海捷士電池制品有限公司定制，鋰電池組 14.8 V，帶保護(hù)板，80 Wh。

X射線管電源威思曼XRN高精度高壓電源，可提供0～5.5 V燈絲電源和6～70 kV高壓電源。

X射線管丹東志達(dá)XH501型，最高管電壓40 kV、最大管電流0.5 mA、最大額定功率20 W，銅靶；燈絲電壓最大2.2 V；燈絲電流最大1.9 A。

圖1 X射線熒光分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of XRF

SI-PIN探測(cè)器X-123型SI-PIN探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)含SI-PIN探測(cè)器、前置放大器、數(shù)字脈沖處理器、MCA等。探測(cè)器采用美國(guó)AMPTEK公司生產(chǎn)的XR-100 CR型Si-PIN半導(dǎo)體探測(cè)器，對(duì)55Fe源（5.9 keV）的半高寬度為149 eV。放大器采用和探測(cè)器相匹配的PX2T型放大器，分析裝置采用MCA8000A型多道分析器和PMCA多道能譜分析軟件。

PC104主機(jī) 主控單元，用于數(shù)據(jù)處理、用戶交互等，最大電流2 A，工作電壓 +5 V。

其他電路溫控制冷、狀態(tài)顯示、通訊端口等。

2 電源系統(tǒng)分析

XRF的電源系統(tǒng)主要包括：

射線管高壓電源為XH501型X射線管提供燈絲電壓和高壓偏置電壓，射線管為銅靶，燈絲電壓，最大2.2 V；偏置電壓可達(dá)70 kV；電源需輸入24 V，最大額定功率20 W。

探測(cè)器電源采樣X(jué)-123 SI-PIN探測(cè)器，輸入5 V，20 mA。

PC104主板電源主控單元，電壓輸入+5 V，最大工作電流2 A。

冷卻系統(tǒng)電源射線管表面最高溫度禁止超過(guò)55℃，采用風(fēng)冷方式，選用24V風(fēng)扇，電流29 mA，直流軸流風(fēng)扇，1500 r/min，33 m3/h。

其他電路包括溫度檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)與指示、LCD、其他電路等，功耗較小。

XRF的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 XRF電源系統(tǒng)Fig.2 Power system of portable XRF

3 充電電路設(shè)計(jì)

3.1 鋰電池組充電機(jī)理

鋰電池傳統(tǒng)的充電方法主要有恒流、恒壓、恒壓限流、恒流限壓、先恒流后恒壓等，這些方法比較容易實(shí)現(xiàn)，但易造成電池介質(zhì)和電極不均勻傷害、容量損失等問(wèn)題[2]?，F(xiàn)在人們對(duì)電池充放電機(jī)理已經(jīng)有了較深入的研究，對(duì)電池的充電過(guò)程各階段的內(nèi)在原理和特點(diǎn)有了深入認(rèn)識(shí)，本課題根據(jù)鋰電池各個(gè)階段的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種智能充電電路，根據(jù)電池的狀態(tài)選擇最優(yōu)充電方法，避免電池?fù)p壞和容量損失。鋰電池的充電過(guò)程主要可分為4個(gè)階段（以單個(gè)鋰電池為例說(shuō)明，如果為n個(gè)鋰電池串聯(lián)，則電壓為n×每個(gè)階段電壓，C為電池容量）：

涓流充電電池電壓低于3 V時(shí)，采用最大0.05 C的恒定電流對(duì)電池進(jìn)行恢復(fù)性充電；

恒流充電電池電壓上升到3 V以上時(shí)，提高充電電流進(jìn)行恒流充電。恒流充電的電流在0.2 C～1.0 C之間。

恒壓充電當(dāng)電池電壓上升到4.2 V時(shí)，恒流充電結(jié)束，開(kāi)始恒壓充電階段。為使性能達(dá)到最佳，穩(wěn)壓容差應(yīng)當(dāng)優(yōu)于+1%。

充電終止與鎳電池不同，并不建議對(duì)鋰離子電池連續(xù)涓流充電。連續(xù)涓流充電會(huì)導(dǎo)致金屬鋰出現(xiàn)極板電鍍效應(yīng)。是否停止充電，主要通過(guò)監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流，并在充電電流減小到0.02 C時(shí)或總的充電時(shí)間達(dá)到8 h終止充電。

正常情況下，完成對(duì)完全放電電池的充電約需要 2.5 h～3 h。

3.2 充電電路硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)鋰電池不通充電階段的要求，所設(shè)計(jì)充電電路應(yīng)該具有電壓檢測(cè)、恒流升壓輸出、恒壓降流輸出、電流檢測(cè)，狀態(tài)切換等主要功能。為保持便攜性，XRF選用4串鋰電池組，低于12 V為預(yù)充電階段，12 V～16.8 V為恒流充電階段，16.8 V為恒壓充電階段。充電電路如圖3所示。

圖3 XRF充電電路Fig.3 Charging circuit of portable XRF

圖中，AC-DC模塊采用開(kāi)關(guān)電源RS-100（621-0679）、100 W、24 V，XL4016 對(duì)電壓 Buck 調(diào)整，F(xiàn)B腳接電流負(fù)反饋。系統(tǒng)根據(jù)LI_AD采樣電壓和I_AD采樣電流及不同充電階段的要求，計(jì)算得到XL4016 FB端PWM占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池充電過(guò)程的恒流或恒壓控制[4]。

3.3 充電電路軟件設(shè)計(jì)

電池充電過(guò)程的狀態(tài)切換，需要根據(jù)電池電壓進(jìn)行切換，充電模塊分為涓流充電、恒流充電、恒壓充電、充電終止判斷4個(gè)階段。軟件流程如圖4所示。

進(jìn)入充電模式后，啟動(dòng)AD定時(shí)采樣，獲得當(dāng)前電壓、電流采樣數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算，將之與各個(gè)轉(zhuǎn)折電壓進(jìn)行比較判斷，并根據(jù)當(dāng)前電池電壓和計(jì)算獲得輸出量調(diào)整PWM占空比，調(diào)整XL4016 FB端占空比，從而調(diào)整輸出電壓和電流。

當(dāng)V0＜VS時(shí)，調(diào)整XL4016輸出電壓，充電電流恒定為 0.05 C；當(dāng) Vf＞V0＞VS時(shí)，調(diào)整 XL4016 輸出電壓，充電電流恒定為0.9 C；當(dāng)V0＝Vf后，充電電壓恒為 Vf，當(dāng) I0＜It或 t＞8 h 結(jié)束充電。

圖4 充電流程Fig.4 Charging flow chart

4 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

分析可知，在無(wú)外部電源的情況下，鋰電池需轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電源主要有24V，1A（威斯特XRN電源、冷卻系統(tǒng)）；5 V，2 A（PC104 主板、探測(cè)器、溫度檢測(cè)、電壓指示等電路）；3.3 V，100 mA（AD、LCD 等）。

轉(zhuǎn)換電路的輸入為鋰電池組的輸出，電壓范圍為10.8 V～16.8 V。在接外部電源時(shí)，電路輸入端為16.8 V，XRF處于充電狀態(tài)或數(shù)據(jù)處理狀態(tài)，要求轉(zhuǎn)換電路電壓輸出通斷可控。

4.1 24 V，1 A電路設(shè)計(jì)

輸出電壓為24 V，輸出電流大于1 A，為滿足系統(tǒng)要求，選用XL6019開(kāi)關(guān)電流升壓/升降壓型DCDC轉(zhuǎn)換器，輸出電壓由FB端分壓電路決定，輸出電流最高可達(dá)5 A，可滿足系統(tǒng)要求，同時(shí)XL6019效率達(dá)94%以上，損耗小，可進(jìn)一步提高便攜式XRF待機(jī)時(shí)間。轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)原理如圖5所示。

圖5 24 V，1 A電路轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)Fig.5 Conversion circuit of 24 V，1 A

4.2 5 V，2 A電路設(shè)計(jì)

輸出電壓為5 V，輸出電流大于2 A，為滿足系統(tǒng)要求，選用LM2596為PWM型buck器件，輸出電流達(dá)3A，輸出電壓通斷可控，LM2596轉(zhuǎn)換效率較高，可滿足系統(tǒng)要求。轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)原理如圖6所示。

圖6 5 V，2 A電路轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)Fig.6 Conversion circuit of 5 V，2 A

其它電路能量消耗較少，主要采用LDO進(jìn)行設(shè)計(jì)，這里不做詳細(xì)介紹。

5 分析與測(cè)試及電源EMC設(shè)計(jì)

便攜式XRF，在進(jìn)行采樣分析時(shí)，瞬時(shí)工作電流較大，空間的電磁干擾比較嚴(yán)重，可能會(huì)影響采樣精度，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)工作時(shí)的一些誤動(dòng)作。為提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將控制信號(hào)線與主電路大電流信號(hào)線分別分開(kāi)走線，充電線路選用屏蔽線纜，獨(dú)立風(fēng)扇風(fēng)道，并在充電電路及電池外圍采用隔離屏蔽，提高XRF的EMC性能。

便攜式XRF選用由上海捷士電池制品有限公司定制的鋰電池組（14.8 V，帶保護(hù)板，100 Wh）。各電源電路均為冗余設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)為各模塊最大可能功耗，模塊實(shí)際功耗小于設(shè)計(jì)功耗，射線管等大功率模塊，僅工作于采樣時(shí)段，其余狀態(tài)為靜默狀態(tài)，靜默時(shí)功耗很小。

經(jīng)測(cè)試，XRF的實(shí)際功耗約為5.6 W，工作時(shí)間約14 h。電池實(shí)際容量可通過(guò)測(cè)量到的充電電壓和電流計(jì)算得到，約為110 Wh。長(zhǎng)時(shí)間多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)，電池容量變化很小。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)便攜式XRF電源系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了便攜式XRF智能充電電路和電平轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)了將XRF充電狀態(tài)調(diào)整到最佳，避免了XRF設(shè)備電池介質(zhì)和電極發(fā)生不均勻傷害，另一方面有效避免了電池容量損失，同時(shí)降低了整個(gè)XRF設(shè)備功率損耗，為保證便攜式XRF的穩(wěn)定工作，提高待機(jī)時(shí)間提供了一種新的解決方案。所設(shè)計(jì)電路經(jīng)過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)測(cè)試，切實(shí)可行。

[1]黑大千，張焱.XRF技術(shù)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀概述[J].科教文匯，2001（3）：96.

[2]彭佳悅，祖晨曦，李泓.鋰電池基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題（I）-化學(xué)儲(chǔ)能電池理論能量密度的估算[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（1）：55-57.

[3]林延暢.高靈敏度多元素現(xiàn)場(chǎng)熒光探測(cè)系統(tǒng)的研制[D].成都：成都理工大學(xué)，2006.

[4]徐健.動(dòng)力電池充電器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D].天津：天津大學(xué)，2008.