某測量裝置大容量可充電電源模塊設計*

李戰芬，張佳寧，甄國涌*，儲成群，侯　卓

（1.太原工業學院，太原030051；2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051；3.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051）

某測量裝置大容量可充電電源模塊設計*

李戰芬1，張佳寧2，3，甄國涌2，3*，儲成群2，3，侯卓2，3

（1.太原工業學院，太原030051；2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051；3.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051）

大容量可充電電源模塊是某測量裝置的重要組成部分，并為測量裝置在測試過程中的其它各功能模塊提供相應的電源。針對測試需求中工作時間長，環境惡劣，溫度變化范圍大的特點，設計了一種基于鉛酸電池的雙備份電源模塊，采用達林頓管式充電電路給電池充電，通過低壓差電源轉換芯片輸出系統所需的各種電壓，同時利用二極管的單向導電性實現雙備份可靠性設計。該電源模塊可在-45℃～60℃環境下以3 A電流輸出正常工作5 h，滿足測量裝置試驗需求。

大容量；達林頓管；鉛酸電池；雙備份

某測量裝置為機載掛飛試驗或導彈上的專用測量設備，試驗過程中該設備脫離地面電源工作，因此需要設計專用的供電系統，而可充電電源設備的選擇是整個供電系統的基礎，是保證該裝置正常工作的關鍵因素。鋰電池因其體積小被廣泛應用，一般鋰電池如果電壓值較高，主要是通過多個鋰電池串聯產生較高電壓，單個模塊的電壓為3.7 V，容量為2 000 mAh，實際測量系統需要電壓值較高在7 V～8 V以上，工作時間為5 h，所需總電量約為20 Ah，如果使用鋰電池方式供電，至少需要串聯10塊鋰電池才能滿足容量需求，此時電壓太大，造成不必要的系統功耗。同時該測量裝置的工作環境溫度為-45℃～60℃，而鋰電池在低于-20℃的環境中已經不能正常工作。

針對測量裝置的工作條件以及鋰電池的優缺點，選擇了一種放電容量大，輸出電壓高同時工作溫度范圍寬的可充電電池-鉛酸電池。

該鉛酸電池輸出電壓能夠達到12 V，容量最大有75 Ah，在-55℃～75℃范圍內可以正常工作，并且有很強的抗震性能和深度放電能力［1］。該電源模塊以鉛酸電池為供電設備，設計調理電路輸出整個測量裝置所需的所有電壓，并且設計可充電電路為鉛酸電池充電，實現電池的循環利用，降低試驗成本；同時，為了提高系統的可靠性，將該電源模塊設計為雙備份供電模式［2］。

1　系統總體設計

整個電源模塊主要由充電模塊、電壓調理模塊、雙備份模塊以及主控制單元組成。

電源模塊工作原理：

地面控制單元提供的長線電源經過5 m電纜輸出到可充電模塊為鉛酸電池充電，而鉛酸電池充電時電池兩端電壓最高能夠達到14.7 V，充電模塊以及二極管、達林頓管壓降為2.15 V，所以充電電壓最小為16.85 V，5 m電纜電阻為0.1205 Ω，充電電流3 A，所以地面提供的長線電源電壓最小為17.25 V。電池充滿電后作為整個測量裝置的能量來源，經過不同的電壓調理電路輸出測量系統所需的各種電壓。普通的地面試驗不需要電池供電，直接由地面長線電源供電完成相應測試工作，即充電的同時整個系統也能夠正常工作［3］。主控制單元主要通過FPGA控制實現地彈轉電，使測量裝置在脫離地面工作時實現使能電壓的轉換。

2　系統硬件實現

該測量裝置需要進行多次試驗，一次試驗持續工作5 h，工作過程中總電流約為3 A，并且電池在低溫環境中放電能力減弱，為了保證足夠的放電容量，選用額定電壓為12 V，額定容量為25 Ah的電池。

2.1鉛酸電池充電原理

鉛酸電池的充電過程分為4個階段：涓流階段、恒流階段、快充階段以及浮充階段。當鉛酸電池深度放電后，或者電池兩端電壓低于額定電壓的87.5%，充電進入涓流階段，以設定好的涓流電電流開始充電，為了防止鉛酸電池在深度放電后大電流充電會損壞電池內部的化學物質，涓流電流一般不大于200 mA，并且持續時間較短。當電池兩端電壓高于額定電壓的87.5%，充電進入恒流階段，恒流階段持續時間較長，為主要的充電過程，占充電時間的80%。當電池兩端電壓高于額定電壓的95%，進入快充階段，此時電池電壓逐漸接近額定電壓，而流入電池的電流開始下降。當電流下降很快的時候，充電進入最后的浮充階段，當電流降到100 mA時，完成充電。

2.2達林頓管式充電電路設計

鉛酸電池基本充電電路如圖1所示。

圖1　達林頓管式充電電路

圖1左側為充電模塊電路，主要采用BQ24450芯片實現，而恒流階段作為整個充電過程的主要階段，其充電電流的選擇是關鍵，充電電流太小，充電時間會很長；充電電流太大，系統功耗會增加，并且需要做特殊的散熱保護。綜合考慮整個測量裝置所能承受的最大功耗、電池自身特性、充電時間以及散熱處理措施，充電電流設置為3 A。具體計算由式（1）決定：

250 mV是芯片BQ24450電流調整端引腳之間的壓差，為恒定值。

整個充電過程不同階段的檢測由達林頓管控制［2］。BQ24450內部嵌有電壓比較器，充電過程中電池電壓與芯片內部的參考電壓經電壓比較器比較反饋到VFB端，達林頓管通過VFB端的反饋電壓值來調節充電階段。而其類型的選擇與恒流階段充電電流的大小有關，若選用單一的PNP型或者NPN型三極管，Imaxchg的范圍為25 mA～1 000 mA；若選用達林頓管，此時Imaxchg的值最大可達到15 A。電流超過1 A，需要選擇大功率型達林頓管，并且達林頓的集電極-發射極之間壓差必須大于等于1.2 V，基極驅動電流小于25 mA，設計中選用NPN型三極管BD911與PNP型三極管BD242組成的PNP型達林頓管控制整個充電過程。

當電池深度放電后，電池才會進入涓流階段，涓流階段涓流電流在0～200 mA之間選取，其值越小，對電池越好。因為可充電電池不建議深度放電，深度放電會縮短電池的壽命，而較小的充電電流對電池具有緩沖作用，保護電池延長電池的循環使用壽命［4］，所以將涓流電流設置為50 mA，具體計算由式（2）決定：

所選電池額定電壓為12 V，容量為25 Ah，根據電池充電特性，設置快充電壓14.7 V，浮充電壓13.8 V。

2.3雙備份設計

為了保證設備在-45℃～60℃環境中能夠正常工作［5］，在高低溫試驗箱中做了鉛酸電池的放電試驗，測試電池在不同溫度下的放電能力，試驗記錄數據如表1所示。

表1　不同溫度下電池放電效率記錄表

圖2為電池以3.6 A的電流在-45℃的放電曲線。

圖2　-45℃電池放電曲線

分析圖2曲線得出：電池在整個放電過程中，剛開始的2.6 h內電流很穩定，基本保持3.6 A不變，電池兩端電壓在緩慢下降；隨著電池電壓降到11 V，電流開始下降，當電壓降到10.5 V時，電流加快下降，電壓也急劇下降，這時電池進入深度放電狀態，電壓在5 min內就會降到0 V，此時不建議繼續放電，繼續放電會損壞電池內部的化學物質，使陽極αPbO2被迫參與化學反應，再次充電時，出現不可逆的現象，造成陽極軟化，縮短電池的壽命［6］。約2.8 h后，停止放電，計算出電池放電容量為9.36 Ah，只有額定容量的37%。結合表1中的數據可以得出結論：隨著溫度的降低，電池的放電能力逐漸減弱。然而9.36 Ah的容量遠遠不能保證設備正常工作，所以電源系統選用兩塊電池，在電池后面增加二極管［7］，利用二極管的單向導電性實現雙備份供電，之后做低溫放電試驗，實驗曲線如圖3所示。

圖3　-45℃雙備份電池放電曲線

圖3所示放電試驗的放電電流為3.4 A，放電時間約4.5 h，從中可以看出，放電過程中兩塊電池的電壓變化曲線幾乎重合，最終計算出的放電容量約為15.3 Ah，可以保證設備正常工作。

3　充電試驗

用外部電源、高精度萬用表、電流表等做電池充電試驗，表2為充電過程中所記錄的試驗數據。

表2　充電試驗數據記錄

分析數據得出：充電過程開始時，電池以50 mA涓流電流開始充電，10 min后電流變為2.98 A，充電進入恒流階段，電池兩端充電電壓逐漸升高；8 h后，充電電壓保持14.7 V不變，電流開始下降，充電進入恒壓階段；9.5 h后，電流下降速度加快，而充電電壓保持13.8 V基本不變，充電進入浮充階段；10 h后，電流降到0.1 A，充電完成。充電完成后，關閉電源，測量電池兩端電壓為13.2 V，將電池靜放1 h，再一次測量電池兩端的電壓為12.5 V，此時電池兩端的電壓為實際電壓，略大于剛充完電后所測得的電壓。

在整個充電過程的不同階段，達林頓管兩端的壓差一直在改變，隨著電池電壓的升高，壓差逐漸降低，并且引腳的溫度也在逐漸降低，再一次驗證了達林頓管對整個充電過程的控制作用，同時為了保證電源系統的可靠工作，在PCB布板與結構設計時要采取必要的散熱措施［8］。

4　結束語

本文設計的大容量可充電電源系統已經成功應用于某測量裝置，試驗過程中該測量裝置在低溫環境中只工作了1 h，其余都在0℃以上，設備實際工作時間有5 h，試驗結束后，測量電池兩端的電壓為11.8 V，電池仍然有電，再一次證明了該電源系統的可靠性、穩定性與可行性。

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李戰芬（1975-），女，山西運城人，實驗師，主要從事計算機算法和實驗室管理研究工作，410992544@qq.com；

張佳寧（1990-），女，漢族，山西大同人，中北大學電路與系統專業碩士研究生，主要研究方向為電路與系統，zjn_nuc@ 163.com；

甄國涌（1971-），男，山西陽泉人，教授，碩士生導師，主要從事測試系統集成技術與應用軟件技術研究工作，zhen_gy0124@ 163.com。

Design of High-Capacity Rechargeable Power Supply Module of the Measuring Device*

LI Zhanfen1，ZHANG Jianing2，3，ZHEN Guoyong2，3*，CHU Chengqun2，3，HOU Zhuo2，3
（1.Taiyuan Institute of Technology，Taiyuan 030051，China；2.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.Key laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

The rechargeable power supply module of high-capacity is an important part of a measuring device，and provides the different power supply requirements for other module in the device.According to the characteristics of the long hours working，harsh environment and wide temperature range in the testing work，a double backup power supply system based on lead-acid battery is designed.This module brings forward a charging circuit based on Darlington for rechargeable battery，and can produce all power supply that the measurement system required through adjustable low-dropout regulators.To improve the reliability of the system，the design uses unidirectional conductivity of diode to realize double backup supply.The power supply module can work 5 hours with 3 A output current normally in-45℃～60℃environment，and meets the demand of measuring test.

high-capacity；darlington；lead-acid battery；double backup

TP303

A

1005-9490（2016）05-1220-04

項目來源：國家自然科學基金重點項目（51075375）

2015-10-20修改日期：2015-11-11

EEACC:1210；836010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.039