一種開關(guān)線性復(fù)合電源及控制策略

熊剛,王偉平

（福建星云電子股份有限公司，福建福州，350000）

0 引言

在對新能源鋰電池保護(hù)板及成品電池電氣性能測試中，較多測試項目需要使用程控源表(SMU)，如：功耗測量、過程中電氣指標(biāo)測量對比、充電過壓保護(hù)、充電過流保護(hù)及信號模擬觸發(fā)。在nA 級功耗測量、uV、uA 級電氣指標(biāo)對比測試項目中，需要低紋波的電源。在保護(hù)測試過程中需要捕捉到uS 級保護(hù)的時間參數(shù)，則需要更快響應(yīng)的電源。當(dāng)前程控電源功率變換多數(shù)使用純開關(guān)電源或純線性電源拓?fù)洹?/p>

開關(guān)電源是一種常用電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，從而穩(wěn)定輸出的一種電源。其具有效率高，紋波毛刺大、精度差、上升沿較慢等特性，故不適合用于鋰電池測試領(lǐng)域中精密的應(yīng)用場合，如保護(hù)板待機(jī)nA 級的功耗測量。

線性電源是將功率器件工作在線性狀態(tài)，相當(dāng)是通過改變功率器件的阻值實現(xiàn)穩(wěn)定輸出,同時將多余能量全部消耗掉。故沒有開關(guān)噪聲，具有低紋波、高穩(wěn)定和搞突變能力強(qiáng)等特性，適合測量精密信號及測量保護(hù)時間。但線性電源具有較多缺點，如：體積大、能耗高、熱可靠性差、斷載時輸出電壓超調(diào)至輸入電壓等缺點。

如何在鋰電池測試領(lǐng)域設(shè)計完美的程控電源源表（SMU）一直是一個大挑戰(zhàn)，本文中使用開關(guān)線性復(fù)合技術(shù)并加以專業(yè)數(shù)字信號控制器實現(xiàn)功率自動控制實現(xiàn)一種低紋波、高效率、高可靠性、高響應(yīng)鋰電池測試用開關(guān)線性復(fù)合程控電源源表。

1 主電路拓?fù)浼霸?/h2>

本文所研究的程控電源輸入電壓為12V，最大輸出電壓為10V，最大輸出電流5A，具有恒流恒壓輸出功能。主要用于筆記本、手機(jī)鋰電池測試。系統(tǒng)框圖如下。

圖1 系統(tǒng)框圖

由于需求屬于低壓非隔離降壓的場合，故前級開關(guān)電源選用Buck 拓?fù)洌瑔纹瑱C(jī)通過調(diào)整Buck的輸出電壓，從而控制后級線性功率、提升整體效率，保護(hù)后級電路不會過熱從而提高整體穩(wěn)定性。后級線性電源采用線性拓?fù)洌瑢崿F(xiàn)低紋波、高響應(yīng)、低噪聲、高精度的輸出。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

前級開關(guān)電源采用同步整流Buck 電路，實現(xiàn)可靠高效的功率變換。Vin 輸入為12V，Vbus 輸出范圍為0.5V-10V。

后級的線性電路采用單個MOS 做為功率調(diào)節(jié)器件。

線性電路使用電壓、電流雙環(huán)控制，可實現(xiàn)恒壓輸出、恒流輸出。設(shè)置值由單片控制DAC 輸出。

控制系統(tǒng)的單片機(jī)采用的Microchip 高性能DSC 芯片dsPIC30F2020，是一款專業(yè)的開關(guān)電源數(shù)字信號控制器。其ADC 外設(shè)具有12 路輸入通道和2MS/s的采集率；其專業(yè)電源PWM 外設(shè)，支持1.1ns 點空比分辨率和7 種工作模式；還支持UART 等多種外設(shè)。

圖2 Buck 電源電路

圖4 線性恒壓、恒流環(huán)

圖5 控制芯片

dsPIC30F2020 實現(xiàn)Buck 開關(guān)電源控制、實現(xiàn)線性電源控制、實現(xiàn)模擬量采集（輸入電壓Vin、母線電壓Vbus、輸出電壓Vout、母線電流Ibus ）、DAC 輸出、外部高精度ADC 采集及相關(guān)保護(hù)及通信。

具有串中UART 通信接口（RF7、RF8），用于與上位機(jī)通信，上位機(jī)可通過串口設(shè)置開關(guān)電源的最高的輸出電壓（Vbus_set）。

單片機(jī)內(nèi)部ADC 采集母線電壓Vbus、輸出電壓Vout 及母線電流Ibus，用于進(jìn)行相關(guān)buck 控制，及線性功率自動調(diào)整控制。單片機(jī)外部ADC 采集高精度模擬量，用于鋰電池測試。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

dsPIC30F2020 具有控制邏輯控制Buck 電路輸出Vbus_set 電壓到母線。

圖6 控制環(huán)路

根據(jù)上位機(jī)設(shè)置的Vbus，dsPIC30F2020 在復(fù)合電源輸出時控制Vbus 電壓輸出在對應(yīng)水平。如：測試2 串電池時，上位機(jī)設(shè)置Vbus_set 為10V，dsPIC30F2020 自動控制Buck輸出在10V；在測試1 串電池時，上位機(jī)設(shè)置Vbus_set 為5V，dsPIC30F2020 自動控制Buck 輸出在5V。

dsPIC30F2020 實時不斷采集多個模擬量，并計算線性電源部分的壓差Vdrop=Vbus-Vout，計算線性電源部分的功率損耗Ploss=Vdrop *Ibus，根據(jù)Ploss實時調(diào)整Buck 電源輸出。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 上升沿性能

復(fù)合電源空載時，Vbus 電壓固定在Vbus_set，使用上位機(jī)軟件加載輸出，觀測開關(guān)線性復(fù)合電源輸出的上升沿（10%-90%）時間 為760us,與線性電源基本一至。

圖7 調(diào)整流程圖

圖8 復(fù)合電源上升沿

2.2 紋波對比

使用示波器交流檔觀測Vbus 側(cè)與Vout 側(cè)電源紋波。電源紋波減少44mV，減少80%。

實際觀測Vbus 側(cè)開關(guān)電源紋波55mV。

實際觀測Vout 側(cè)電源紋波11mV。

圖10 開關(guān)線性復(fù)合電源紋波

2.3 效率對比

在被測電池5V3A的情況下，輸入電源從6V 變化到12V過程，記錄復(fù)合電源與普通線性電源整體效率，及開關(guān)電源效率，可以看到效率較同規(guī)格線性電源得到大幅提升，如12V輸入情況下，復(fù)合電源的效率較獨立的線性電源提升28%。

圖11 復(fù)合電源上升沿

2.4 關(guān)斷沖擊

在測試單串電池時，Vbus 可設(shè)置為5.5V，可有效降低沖擊幅度。輸出4V3A的情況下，記錄復(fù)合電源與普通線性電源斷載后的輸出電壓曲線，復(fù)合電源的電壓上沖較獨立的線性電源降低68.4%。

線性電源（輸入12V），電壓沖擊為3.92V。

復(fù)合電源（Vbus 為5.5V），電壓沖擊為1.24V。

3 結(jié)束語

本文介紹了采用開關(guān)線性復(fù)合技術(shù)及單片機(jī)控制策略實現(xiàn)一種低紋波、高可靠性的線性電源，方案可行，較傳統(tǒng)開關(guān)電源相比，EMI、輸出紋波于線性一致；較傳統(tǒng)的線性電源相比，具有更高的效率、更高的可靠性，期防過沖有明顯的提升。后續(xù)還將繼續(xù)研究本電源，提升性能。