便攜式XRF的電源系統設計

于來寶，王典洪

（1.中國地質大學 地球物理與空間信息學院，武漢 430074；2.武漢城市職業學院 機電學院，武漢 430071）

X射線熒光分析在物質成分分析領域具有重要的地位，X射線熒光分析（XRF）與X射線衍射分析（XRD）相結合，即可得到物質的元素構成，也能得到物質的分子構成和百分比含量，與ICP等其他方法相比具有不可比擬的優勢。隨著經濟和技術的發展，XRF已成為工業部門、科研院所重要的分析儀器設備，XRF技術在各種科研和工業領域得到廣泛的應用，也得到不斷的發展，同時，各種實際應用環境也對XRF提出了新的要求。目前，XRF的應用不僅局限于實驗室等固定場所，在野外應用日趨廣泛，便攜式XRF應運而生。Xenemetrix、荷蘭帕納科、哈里伯頓等世界主要XRF生產商都推出了便攜式XRF設備，我國科研工作者也對便攜式XRF進行了大量的研究，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，且鋰電池技術成熟，經過嚴格溫度、濕度、振動測試，工作穩定可靠，可適應復雜多變的野外環境[2]。但隨著XRF老化，內部電化學物質不均勻，鋰電池容量會不斷損失，待機時間會逐漸下降，這將對XRF在野外的正常使用產生不利影響。

因此，按照鋰電池的工作特性，設計一種XRF智能充電電路，修復鋰電池過放電和內部不均勻導致的容量損失，同時提高電池后級電路的能量使用效率，具有積極的意義。

1 便攜式XRF總體結構

便攜式XRF整機主要由電源、X射線管電源、X射線管、檢測與保護電路、SI-PIN探測器及探測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：

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射線熒光分析系統結構Fig.1 Schematic diagram of XRF

SI-PIN探測器X-123型SI-PIN探測系統內含SI-PIN探測器、前置放大器、數字脈沖處理器、MCA等。探測器采用美國AMPTEK公司生產的XR-100 CR型Si-PIN半導體探測器，對55Fe源（5.9 keV）的半高寬度為149 eV。放大器采用和探測器相匹配的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 主控單元，用于數據處理、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、狀態顯示、通訊端口等。

2 電源系統分析

XRF的電源系統主要包括：

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70 kV；電源需輸入24 V，最大額定功率20 W。

探測器電源采樣X-123 SI-PIN探測器，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。

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

其他電路包括溫度檢測電路、電壓檢測與指示、LCD、其他電路等，功耗較小。

XRF的電源系統結構如圖2所示。

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

3 充電電路設計

3.1 鋰電池組充電機理

鋰電池傳統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現，但易造成電池介質和電極不均勻傷害、容量損失等問題[2]。現在人們對電池充放電機理已經有了較深入的研究，對電池的充電過程各階段的內在原理和特點有了深入認識，本課題根據鋰電池各個階段的特點，設計了一種智能充電電路，根據電池的狀態選擇最優充電方法，避免電池損壞和容量損失。鋰電池的充電過程主要可分為4個階段（以單個鋰電池為例說明，如果為n個鋰電池串聯，則電壓為n×每個階段電壓，C為電池容量）：

涓流充電電池電壓低于3 V時，采用最大0.05 C的恒定電流對電池進行恢復性充電；

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

恒壓充電當電池電壓上升到4.2 V時，恒流充電結束，開始恒壓充電階段。為使性能達到最佳，穩壓容差應當優于+1%。

充電終止與鎳電池不同，并不建議對鋰離子電池連續涓流充電。連續涓流充電會導致金屬鋰出現極板電鍍效應。是否停止充電，主要通過監視恒壓充電階段的充電電流，并在充電電流減小到0.02 C時或總的充電時間達到8 h終止充電。

正常情況下，完成對完全放電電池的充電約需要 2.5 h～3 h。

3.2 充電電路硬件設計

針對鋰電池不通充電階段的要求，所設計充電電路應該具有電壓檢測、恒流升壓輸出、恒壓降流輸出、電流檢測，狀態切換等主要功能。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模塊采用開關電源RS-100（621-0679）、100 W、24 V，XL4016 對電壓 Buck 調整，FB腳接電流負反饋。系統根據LI_AD采樣電壓和I_AD采樣電流及不同充電階段的要求，計算得到XL4016 FB端PWM占空比，從而實現對電池充電過程的恒流或恒壓控制[4]。

3.3 充電電路軟件設計

電池充電過程的狀態切換，需要根據電池電壓進行切換，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個階段。軟件流程如圖4所示。

進入充電模式后，啟動AD定時采樣，獲得當前電壓、電流采樣數據，并進行計算，將之與各個轉折電壓進行比較判斷，并根據當前電池電壓和計算獲得輸出量調整PWM占空比，調整XL4016 FB端占空比，從而調整輸出電壓和電流。

當V0＜VS時，調整XL4016輸出電壓，充電電流恒定為 0.05 C；當 Vf＞V0＞VS時，調整 XL4016 輸出電壓，充電電流恒定為0.9 C；當V0＝Vf后，充電電壓恒為 Vf，當 I0＜It或 t＞8 h 結束充電。

圖4 充電流程Fig.4 Charging flow chart

4 轉換電路設計

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

轉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，電路輸入端為16.8 V，XRF處于充電狀態或數據處理狀態，要求轉換電路電壓輸出通斷可控。

4.1 24 V，1 A電路設計

輸出電壓為24 V，輸出電流大于1 A，為滿足系統要求，選用XL6019開關電流升壓/升降壓型DCDC轉換器，輸出電壓由FB端分壓電路決定，輸出電流最高可達5 A，可滿足系統要求，同時XL6019效率達94%以上，損耗小，可進一步提高便攜式XRF待機時間。轉換電路設計原理如圖5所示。

圖5 24 V，1 A電路轉換電路設計Fig.5 Conversion circuit of 24 V，1 A

4.2 5 V，2 A電路設計

輸出電壓為5 V，輸出電流大于2 A，為滿足系統要求，選用LM2596為PWM型buck器件，輸出電流達3A，輸出電壓通斷可控，LM2596轉換效率較高，可滿足系統要求。轉換電路設計原理如圖6所示。

圖6 5 V，2 A電路轉換電路設計Fig.6 Conversion circuit of 5 V，2 A

其它電路能量消耗較少，主要采用LDO進行設計，這里不做詳細介紹。

5 分析與測試及電源EMC設計

便攜式XRF，在進行采樣分析時，瞬時工作電流較大，空間的電磁干擾比較嚴重，可能會影響采樣精度，甚至可能導致系統工作時的一些誤動作。為提高系統運行的可靠性，在進行系統設計時將控制信號線與主電路大電流信號線分別分開走線，充電線路選用屏蔽線纜，獨立風扇風道，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，帶保護板，100 Wh）。各電源電路均為冗余設計，設計為各模塊最大可能功耗，模塊實際功耗小于設計功耗，射線管等大功率模塊，僅工作于采樣時段，其余狀態為靜默狀態，靜默時功耗很小。

經測試，XRF的實際功耗約為5.6 W，工作時間約14 h。電池實際容量可通過測量到的充電電壓和電流計算得到，約為110 Wh。長時間多次測量發現，電池容量變化很小。

6 結語

本文對便攜式XRF電源系統進行了分析，并設計了便攜式XRF智能充電電路和電平轉換電路，實現了將XRF充電狀態調整到最佳，避免了XRF設備電池介質和電極發生不均勻傷害，另一方面有效避免了電池容量損失，同時降低了整個XRF設備功率損耗，為保證便攜式XRF的穩定工作，提高待機時間提供了一種新的解決方案。所設計電路經過實際檢驗測試，切實可行。

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

[2]彭佳悅，祖晨曦，李泓.鋰電池基礎科學問題（I）-化學儲能電池理論能量密度的估算[J].儲能科學與技術，2013，2（1）：55-57.

[3]林延暢.高靈敏度多元素現場熒光探測系統的研制[D].成都：成都理工大學，2006.

[4]徐健.動力電池充電器的設計與開發[D].天津：天津大學，2008.