低紋波雙電池直流穩壓電源設計與實現

摘 要： 為實現供電電源的低紋波輸出，采用紋波控制方法，設計了一種雙電池充供欠滿自主切換的低紋波直流電源，并對電源進行紋波特性測試。原始信號通過電壓采集電路傳輸給控制主電路，控制主電路依據采集到的電壓信號和繼電器開關的通斷原則來控制充供電選擇電路，可供電電池通過線性電壓調整電路即可實現一路5 V和兩路可調電壓輸出，實現了從充電到供電的低紋波直流穩壓輸出。電源紋波測試采用同軸電纜測試裝置，測試數據表明：低紋波直流穩壓電源運行狀況良好，輸出電壓穩定，與其他直流電源相比，在紋波控制方面具有較大優勢。

關鍵字： 直流電源； 低紋波； 雙電池； 通斷原則

中圖分類號： TN86?34； TP303+.3 文獻標識碼： A 文章編號： 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

提高參數測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，雖然通過增加電路濾波器件可降低紋波，有時可達幾毫伏，但仍達不到高精度測量的要求[2]。

本身沒有紋波的直流電池供電是一種較好的選擇，可以得到高質量的直流電源供應，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間內的供電，交流供電時的紋波仍然存在。

為了克服了現有工頻整流穩壓電源和開關電源紋波控制技術的不足，以及電池容量有限不能持續低紋波輸出的問題，本文設計了一種基于STC89C54的低紋波雙電池直流穩壓電源。

1 硬件電路原理

系統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、線性電壓調整電路、可充電電池以及電源適配器，電路結構如圖1所示。

控制主電路包括單片機STC89C54、A/D轉換器PCF8591和LCD12864。PCF8591把模擬型的電壓信號轉換成數字信號，供單片機進行信號處理；單片機根據當前電池的充、供、欠、滿4種狀態和繼電器通斷原則，實現對雙電池充電和供電的最優控制；液晶顯示器顯示各個電池的充、供、欠、滿4種狀態，并且實時顯示各個電池當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、運算放大器和充電電流采樣電阻組成，電池端電壓首先通過分壓電阻分壓，再由運算放大器調整到可采集的電壓范圍，最后傳輸到PCF8591進行A/D轉換，而充電電流采樣電阻的作用是把充電電流信號轉換成電壓信號。

充電選擇電路和供電選擇電路分別是由兩個繼電器開關和兩個二極管組成[3]，控制主電路遵循通斷原則控制繼電器閉合與斷開，在保障持續供電的前提下，盡可能使穩壓電源低紋波輸出。線性電壓調整電路采用線性穩壓模塊、濾波電路和緩沖電路來穩定輸出和降低開關調整產生的諧波，以此實現穩定的低紋波輸出?？沙潆婋姵剡x擇12 V電池，并配備相應的電源適配器。雙電池低紋波直流穩壓電源供電原理圖如圖2所示。

2 硬件電路設計

2.1 控制主電路設計

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

（1） 該電池充電開關需要閉合時，必須同時滿足：

① 該電池處于未充滿狀態；

② 該電池的供電開關處于斷開狀態（即該電池不供電）；

③ 另一電池的充電開關處于斷開狀態（即兩個電池不同時充電）。

（2） 該電池充電開關需要斷開時，只需滿足其一即可：

① 該電池處于充滿狀態；

②該電池的供電開關即將閉合（即需要該電池供電）；

③另一電池的充電開關即將閉合（即兩個電池不同時充電）。

（3） 該電池供電開關需要閉合時，必須同時滿足：

① 該電池處于不欠電狀態；

② 該電池的充電開關處于斷開狀態（即該電池不充電）；

③ 另一電池的供電開關即將斷開（即兩個電池不同時供電，但為了保證后級供電，需要該電池供電開關閉合后，另一電池供電開關才能斷開）。

（4） 該電池供電開關需要斷開時，只需滿足其一即可：

① 該電池處于欠電狀態；

② 該電池的充電開關即將閉合（即該電池需要充電）；

③ 另一電池的供電開關已經閉合（為保證后級供電，另一電池供電開關閉合后，該電池供電開關才能斷開）。

如圖2所示，以上四條通斷原則邏輯關系可總結為：

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試，是實現低紋波、穩定、持續供電的核心思路。

2.2 電壓采集電路設計

由于電池充電時，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判斷電池是否滿電，所以需要電池端電壓信號采集電路和充電電流信號采集電路配合使用[4?5]。

電池端電壓信號采集電路又可分為正極性電池電壓信號采集和負性電池電壓信號采集，由于所選擇的串行A/D轉換芯片PCF8591可識別0～5 V電壓信號[6]；故正極性電池電壓信號需通過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；而負極性電池電壓信號由于負電壓的特殊性，需先通過分壓電阻分壓為反相運算放大器可識別的電壓范圍內，然后選擇合適的放大倍數，反向放大到合適的電壓區間[7]。負極性電池端電壓信號采集電路如圖3所示。

充電電流信號采集電路也可分為正極性充電電流信號采集和負性充電電流信號采集。采集到信號實際上是電壓信號，但是考慮到功耗問題，所選用的采樣電阻十分小，故采集到的電壓信號十分微弱，所以分別需要通過同相比例放大器和反向比例放大器來放大采集到的微弱電壓信號，并且在放大器輸入端加入了RC濾波電路來抑制干擾。

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

2.3 其他電路設計

除了控制主電路和電壓采集電路，該系統還包括充電選擇電路、供電選擇電路、線性電壓調整電路、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選擇電路分別是由兩個5 V繼電器和兩個二極管組成，由單片機根據通斷原則依次輸出高低電平來控制各個繼電器的導通和斷開，二極管的單向導通性，保證了充電電流或者供電電流的單向性；線性電壓調整電路通過三塊線性穩壓模塊分別可實現一路5 V和兩路可調電壓輸出，穩壓模塊前級輸入和后級輸出分別并聯0.1 μF普通電容和100 μF電解電容來對輸入/輸出電流濾波和緩沖，達到穩定輸出和降低開關調整諧波的目的，以此實現穩定的低紋波輸出。

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

3 軟件系統設計

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

4 電源紋波測試分析

電源制作并調試完畢后，采用同軸電纜測試裝置來對電源進行紋波測試，在被測電源的輸出端接RC電路后經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，在示波器的設置方面，應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，并設置衰減比為1倍[9?10]。

根據以上方法，分別對普通直流電源（興隆NS?3）、可編程直流電源（RIGOL DP832）和本設計的低紋波直流電源進行紋波對比，三種電源輸出電壓均為5 V，測量結果如圖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。

紋波對比試驗結果可知，同環境、同電流以及同負載情況下，本文設計的低紋波直流電源輸出紋波電壓低于500 μV，在輸出紋波方面優于其他直流電源。

5 結 語

設計的低紋波直流電源可以準確識別電池電壓和充電電流，并能遵循開關通斷原則實時控制繼電器，控制狀況良好。輸出紋波對比試驗表明：本設計在紋波控制方面具有較大優勢，是實現高精度參數測量的有效途徑。

目前，該低紋波雙電池直流穩壓電源已成功應用到旋轉導向鉆井測斜儀中，電源工作穩定可靠，參數測量精確度明顯提高。

注：本文通訊作者為程為彬。

參考文獻

[1] 賈洪成.一種新型的直流穩壓[J].電氣時代，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電源設計[J].中國測試，2010，36（6）：62?64.

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

[4] 喬波強，侯振義，王佑民.蓄電池剩余容量預測技術現狀及發展[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及其應用[J].微計算機信息，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計[J].沈陽理工大學學報，2011，30（3）：29?33.

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

[9] 高增鑫.基于RIGOL數字示波器的電源紋波自動測量系統[J].世界產品與技術，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，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力汽車電池組設計[J].現代電子技術，2015，38（22）：155?157.