一種超寬輸入范圍的自供電系統設計

劉朋飛， 王新光， 洪 光， 陶吉利

(1.太原科技大學電子與信息工程學院，山西太原030000；2.寧波市江北九方和榮電氣有限公司，浙江寧波315100；3.浙江大學寧波理工學院，浙江寧波315100)

一種超寬輸入范圍的自供電系統設計

劉朋飛1， 王新光1， 洪 光2， 陶吉利3

(1.太原科技大學電子與信息工程學院，山西太原030000；2.寧波市江北九方和榮電氣有限公司，浙江寧波315100；3.浙江大學寧波理工學院，浙江寧波315100)

在電力電子系統中，高電壓大電流的主回路的功率器件兩端擁有豐富的電能。以輸入超寬范圍的反激式開關電源為核心，設計一個隔離式直流供電系統。該系統還以可充磷酸鐵鋰電池為輔助電源，并包含保護電池的電池智能管理系統，且具備雙電源自動切換和升壓功能。本系統在輸入50～700 V之間穩定工作，實現了電能再利用，提高了能源利用率。同時，有效解決了高壓主回路和低壓控制回路的電氣隔離問題，具有廣闊的工業應用前景。

超寬輸入；開關電源；自供電；電池智能管理

隨著科技的發展和社會的進步，電源廣泛應用于計算機網絡、精密儀器儀表、數據處理、自動化生產及電力電子系統中[1]。電源種類繁多，包括開關電源、不間斷電源(UPS)、逆變電源及自供電電源等。其中，自供電電源雖目前應用不甚廣泛，但應用潛力巨大。自供電系統中常見的利用風能、生物能、太陽能、機械能等其他形式的能量轉化成電能[2－3]，應用場合多是小功率供電控制系統。而從電力電子系統的高壓器件兩端實現電能到電能的轉換，應用在相關電力電子器件驅動電路中是一種新穎的自供電設計。國內電力電子系統控制電路部分多數采用電池供電或者簡單的隔離變壓器降壓濾波單獨供電。低壓控制電路的這種供電模式不僅設備占據空間增大，出故障風險增高，而且隨著主回路電壓的增大，電源間的隔離困難，設備投入成本高、效率低，且不能完全保證控制電路運轉的及時、安全、有效。由此，本文設計了一套能從電力器件兩端取能，獲取低壓控制電路所需要的5 V直流電壓的自供電系統，以解決設備占用空間大和電氣隔離困難的問題，并提高能源利用率。

圖1 自供電系統框圖

1 系統設計框圖

本文設計的自供電系統框圖如圖1所示。首先通過阻容吸收和電阻降壓等措施獲取自供電系統的輸入，將500～5 000 V的大功率器件的端電壓降至50～700 V。開關電源采用超寬輸入范圍的反激式開關電源，能使輸入范圍25～250 V的交流信號變換成5 V的直流輸出。變電阻網絡進一步控制輸入電壓的范圍，使開關電源電路的輸入電壓控制在25～250 V之間。本系統中的磷酸鐵鋰可充電池，在開關電源正常輸出時，被切換電路禁止輸出電能；此時，電池管理電路對可充電池充電。開關電源沒有輸出時，切換電路將允許可充電池供電。可充電池和開關電源的輸出，經升壓電路提供穩定的5 V直流電壓。該直流電源輸出給電力電子功率器件的驅動電路以及其他相關控制電路，達到系統自供電。整個系統實現電氣有效隔離和能源利用率的提高，且具有雙電源供電、快速切換等特點。

2 系統硬件實現

2.1 具有變電阻網絡的開關電源電路

本系統為實現輸入電壓在50～700 V范圍內變化時得到穩定的直流電壓輸出，設計了具有變電阻網絡的超寬輸入范圍反激式開關電源。該電路的設計，不僅能夠有效解決輸入大幅度波動引起穩定的直流電壓輸出困難的問題，還能實現高壓主回路和低壓控制電路的電氣隔離功能[4]。

開關電源芯片TNY280PN屬于PI公司的Tiny-Switch系列，內部集成一個耐壓700 V功率場效應管(MOSFET)。此系列采用ON/OFF控制方案，具有降低系統成本和功率擴展的能力。芯片采取降低限流點模式來實現一個輸入25～250 V、輸出5 V600 mA的超寬輸入電壓范圍的開關電源的設計。該開關電源設計原理如圖2所示。開關電源工作過程如下：通過啟動電路向芯片旁路引腳饋電，芯片接受外部供電，即使電路在輸入25 V有效電壓下也可啟動工作。啟動電路在圖2中是一個由Q22、Q23、VR2、D4、R4、R6和R42組成的浮動恒流源，它能夠在整個輸入電壓范圍內為芯片的BP/M引腳提供約為600 μA的恒流。反饋控制通過光耦合器PC817接收來自變壓器次級的反饋，用以使能或禁止電源芯片內集成的開關管，以維持輸出電壓的穩定。流經光耦合器內二極管的電流與使能引腳EN/UV腳的電流成正比。當使能引腳電流超過115 μA的關斷閾值電流，開關電源將跳過開關周期；低于閾值電流時，開關周期將重新開始。

圖2 開關電源電路原理圖

該電源實現最大輸出功率是3 W。表1是開關電源在50 Hz的工頻輸入和10 Ω的電阻負載下的測試數據。從表1中可見，該電路可以在25～250 V的輸入電壓范圍內，保證直流電壓穩定輸出。

表1 開關電源輸入和輸出值

由于開關電源的工作范圍是25～250 V，因此，在圖2中引入實框部分的變電阻網絡，使得濾波后電壓保持在50～700 V之間，保證開關電源能正常工作。變電阻網絡主要包括并聯電阻Rp，串聯電阻Rs11、Rs12、Rs13，常閉型24 V繼電器控制電路及24 V直流電壓等。系統輸入低于250 V的時候，三個繼電器都閉合，短路串聯電阻；升高到250 V時，繼電器J1斷開，電阻Rs11串聯工作。當升高到400 V時，繼電器J2斷開，電阻Rs12串聯進入系統工作；當升高到600 V時，繼電器J3斷開，電阻Rs13串聯進入系統工作。測試結果如圖3所示，其中是輸入電壓，是并聯電阻電壓，是輸出電壓。從圖3中可見，變電阻網絡能使開關電源在50～700 V之間穩定輸出。

圖3 變阻抗開關電源輸出電壓

2.2 電池管理電路

可充電池選擇某3.2 V3 Ah的磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池的比能量和壽命等性能優于鉛酸電池和氫鎳電池。磷酸鐵鋰電池在鋰離子電池中也具有不可比擬的優點：磷酸鐵鋰電池的循環壽命長、發熱量高；同時，磷酸鐵鋰電池還擁有良好的環境安全性[5]。

電池管理電路的控制芯片CN3058可對磷酸鐵鋰充電電池進行恒流/恒壓充電。芯片工作電壓范圍在4～6 V，最大充電電流為1 A。電池管理電路如圖4所示，5 V輸出是開關電源的輸出，To_Bat輸出給切換電路。LED燈D7、D8作為充電狀態指示燈。當輸入電壓大于電源低電壓檢測閾值和電池端電壓時，CN3058開始對電池進行充電。此時，指示燈D7亮，D8滅，表示充電正在進行。如果電池電壓檢測輸入端(FB)的電壓低于2.05 V，CN3058用正常充電電流的10%對電池進行預充電。當電池電壓檢測輸入端(FB)的電壓超過2.05 V時，充電器采用恒流模式對電池充電，充電電流Ichar由電阻R37確定，如式(1)所示：

圖4 電池管理電路原理圖

表2是電池管理電路對兩節3 Ah/3.2 V鐵鋰電池充電測試結果，其中代表充電時間，h；是充電電壓，V；是充電電流，A。從表2可知，可充電池經歷短暫的0.05 A預充電，進入0.38 A的恒流充電模式。

表2 恒壓源對兩節并聯鐵鋰電池充電

圖5是電池管理電路對2 Ω電阻負載放電時的測試結果圖，時間單位是分鐘(min)。由圖5可見，電池在大電流放電時，180 min內的電壓變化范圍較小，電池輸出電壓仍然超過3.1 V。

圖5 兩節并聯電池放電電流電壓時間曲線

2.3 切換電路

切換電路采用美信(Maxim)的MAX4842過壓保護控制器芯片。MAX4842為電路提供過、欠壓保護，內部集成了電壓監視電路和N溝道MOS管驅動器。用MOS管作為切換和保護開關不僅壓降低，而且可以有效避免二極管中出現的反向漏電問題。

切換電路原理圖如圖6所示。該電路利用MAX4842的6號使能引腳配合分壓電阻R25和R26實現電源的切換功能。來自開關電源的5 V輸出，磷酸鐵鋰電池BT1，共同作為切換電路的輸入；To_Vol_Up是切換電路的輸出。當外部開關電源未接入，使能控制引腳被R25拉低，芯片MAX4842驅動Q11、Q12的柵極為高電平，電池為負載供電。外部開關電源接入時，通過分壓電阻R25、R26分壓后使能引腳上產生高于1.47 V電壓，芯片關閉場效應管Q11、Q12，電池被禁止輸出；開關電源經二極管D19輸出，實現兩種電源的快速自動切換。該芯片欠壓鎖定門限2.8 V，低于可充電池工作電壓，有效防止電池過度放電，實現對電池的放電保護。該芯片與充電管理芯片共同實現可充電池充放電的管理功能，保證電池能夠長時間維持良好的工作狀態。

圖6 切換電路原理圖

2.4 升壓電路

升壓電路的控制芯片采用凌力爾特公司LT1930。該芯片采用恒定頻率的內部補償電流模式的PWM架構可以提供卓越的電壓和負載調節。輸入電壓范圍為2.6～16 V，輸出電壓最大可達到34 V。本文設計的升壓電路輸入電壓范圍為2.8～5.0 V，輸出電壓為5.0 V。

電路原理如圖7所示。To_Vol_Up是來自切換電路，作為升壓電路的輸入；OUTPUT是升壓電路的輸出，提供電源給晶閘管驅動電路、系統狀態報警和保護電路等。R404和D211指示輸出狀態，燈亮表示輸出正常。反饋電阻R301和R311控制輸出電壓的大小，關系式為：

圖7 升壓電路原理圖

表3 升壓電路對不同阻值電阻負載測試結果表V

2.5 整體功能測試

完成各部分電路功能后，系統的整體性能還需要經過測試。本系統所進行的測試實驗，以臺基Y76KPM晶閘管驅動電路作為系統負載，并使驅動電路處于最大功耗狀態。在保證系統正常穩定工作前提下，測試系統輸入的電壓范圍及開關電源和升壓電路的輸出數據，繪制曲線如圖8所示，三條曲線分別是開關電源輸出電壓、電流和升壓電路輸出電壓。該圖表明，所設計的自供電系統在輸入電壓為50～700 V時，能夠實現穩定工作。

圖8 系統整體性能測試

3 總結

本文設計的自供電系統從高壓功率器件兩端取電實現5 V直流電壓的穩定輸出。變電阻網絡與超寬輸入范圍反激式開關電源相結合，實現系統在輸入50～700 V時穩定工作。可充電池和開關電源的雙電源供電模式及快速切換功能提高系統工作的穩定性。而且，系統具有防止可充電池過充、過放保護功能，延長磷酸鐵鋰電池的使用壽命。本系統已成功應用在某科技企業的電力電子系統中，有效解決了晶閘管高壓主回路和低壓控制回路的電氣隔離問題，具有工作性能穩定，能源利用率高等優點。系統設計模塊化，所占體積小，是應用上的一種創新突破。

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圖10 電池組實驗數據與仿真誤差

3 結論

本文從電池基本電學等效電路出發，分析三種串聯電池組等效電路模型，構建simulink仿真模型，在實驗識別電池模型參數基礎上，實現了單體及串聯電池組充放電過程仿真，進一步利用數理統計方法提出一種大規模串聯電池組的仿真方法，實驗驗證其精度，得到如下結論：特定實驗條件(如恒定電流、溫度)下辨識的電池參數，用于工況條件下的模型仿真誤差較大，高精度的電池模型仿真需要形成不同溫度、充放電倍率、使用區間的電池參數庫；將串聯電池組直接等效為一個“大電池”進行整體參數辨識，Thevenin模型仿真誤差較大，充分考慮電池參數的離散性有利于電池組仿真；基于單體電池參數統計，利用組中單體電池容量、初始SOC、內阻等參數正態分布規律進行的串聯電池組仿真有較高的精度，為電池串聯成組的參數范圍選擇提供一種計算機仿真方法。

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Self powered system design with super wide input range

In power electronic systems,there existed abundant electrical energy at both ends of power devices in the main circuit which had high voltage and large current.Based on one super wide input flyback switching power,an isolated DC power supply system was designed.The rechargeable lithium iron phosphate battery was selected as auxiliary power,and a battery intelligent management system was designed to protect battery and had the function of dual power automatic switching and boosting the obtained voltage.The system was stable when the input voltage ranges from 50 V to 700 V,which realized the reuse of power and improved energy usage efficiency.At the same time,the problem of electrical isolation between the high voltage of the main circuit and the low voltage of the control circuit was effectively solved.The designed system had broad prospects for industrial applications.

super wide input;switching power supply;self-power supply;intelligent battery management

TM912

A

1002-087X(2016)12-2453-04

2016-05-21

劉朋飛（1988—），男，河南省人，碩士，主要研究方向為模式識別與智能系統。