雙極性可調(diào)低紋波直流穩(wěn)壓電源方案設(shè)計(jì)

甘源瀅

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 陜西 西安 710065）

1 引言

現(xiàn)代傳感技術(shù)在當(dāng)今社會(huì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，傳感器作為技術(shù)領(lǐng)域的核心，其地位居高不下。由于測(cè)量傳感器輸出信號(hào)微弱，傳統(tǒng)的開關(guān)電源產(chǎn)生的紋波嚴(yán)重干擾有效信號(hào)采集，很大程度影響傳感器微系統(tǒng)整體測(cè)量精度。常用的直流穩(wěn)定電源產(chǎn)品主要有是將交流電進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定的直流電壓，但不可避免地在直流穩(wěn)定量中多少帶一些交流成份[1-2]，而一般的干電池、鉛酸蓄電池及鋰離子電池等化學(xué)電源均可以實(shí)現(xiàn)無(wú)紋波供電，這對(duì)于設(shè)計(jì)一款低紋波專用測(cè)試電源提供了新思路。

2 低紋波實(shí)現(xiàn)方案

傳統(tǒng)直流開關(guān)電源和線性電源均是采用整流方法將交流電變?yōu)橹绷麟?，并通過大容量濾波器件以及復(fù)雜的濾波電路將攜帶的紋波降低一部分，但不能完全濾除電源內(nèi)的高頻紋波和工頻紋波。本文設(shè)計(jì)一種以鉛酸蓄電池為核心的低紋波直流電源實(shí)現(xiàn)方案。

系統(tǒng)組成主要包括電源適配器、可充電電池、電壓數(shù)顯模塊及以LM7805、LM317線性輸出芯片為核心線性電壓調(diào)整電路。方案原理框圖如圖1所示。

圖1 方案原理框圖

3 硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1 正輸出電路

在整體系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案中，為能將四組電池有效切換，主體電路部分受開關(guān)限制，主要實(shí)現(xiàn)充電、放電、備用三種狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的持續(xù)低紋波供電。

考慮到常規(guī)用電通常需要直流+5V供電，正輸出電路添置一個(gè)支路，依次經(jīng)LM7812和LM7805穩(wěn)壓后得到+5V的電源輸出，同時(shí)添加了以LM317線性穩(wěn)壓芯片為核心的輸出調(diào)理電路，由于市面上沒有24V蓄電池，為擴(kuò)大電壓可調(diào)范圍，串聯(lián)兩個(gè)12V蓄電池滿足至少18V穩(wěn)定電壓輸出。同時(shí)每個(gè)蓄電池通過12V電源適配器單獨(dú)充電。

3.2 負(fù)輸出電路

負(fù)輸出電路類同于正輸出電路設(shè)計(jì)，不同點(diǎn)為負(fù)電路采用穩(wěn)壓芯LM337。需要注意的是LM337芯片輸入端為兩個(gè)串聯(lián)鉛酸蓄電池的負(fù)，在電路原理設(shè)計(jì)時(shí)將兩個(gè)串聯(lián)后的蓄電池中間接地，以實(shí)現(xiàn)電源負(fù)極性的電壓輸出，同時(shí)數(shù)顯表以及充供電指示燈的電路設(shè)計(jì)均反向相接。

3.3 電源安全性設(shè)計(jì)

由于電路內(nèi)部的分壓電阻在電源閑置時(shí)也會(huì)消耗電池電量，這不僅會(huì)降低了電源使用效率，對(duì)電源輸出穩(wěn)定性也有較大的影響。為此，在四個(gè)供電電池的輸出端口以及電源適配器的接口處預(yù)留了六個(gè)端口，并與四刀雙擲開關(guān)相接。這樣，開關(guān)不僅能有效切換電池充電、放電，空擋下的電池沒有任何回路，最大限度的保證電源的安全性，同時(shí)也能有效提高電池電源的續(xù)航能力。

4 紋波測(cè)試

4.1 紋波測(cè)試方法

紋波是低頻噪聲，所以在用示波器測(cè)量紋波時(shí)首先要進(jìn)行帶寬限制，一般以20MHz為帶寬限制標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)將耦合方式設(shè)置為交流耦合。由于紋波往往幅值較小，所以表筆選用衰減比為1倍的差分探頭，同時(shí)為避免噪聲干擾，祛除長(zhǎng)地線，改用接地彈簧進(jìn)行紋波測(cè)試。測(cè)試前，在接入點(diǎn)位置處并聯(lián)兩個(gè)電容，濾除外界信號(hào)干擾，具體接線圖如圖2所示。

圖2 示波器測(cè)紋波接線圖

4.2 測(cè)試結(jié)果比較

使用RIGOL公司的DM3058E型示波器，采用上節(jié)提到的電源紋波測(cè)試方法分別對(duì)普通直流電源和低紋波直流電源進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，結(jié)果如圖3。

圖3 紋波測(cè)試對(duì)比圖

可見，普通直流電源紋波波形起伏規(guī)律，峰峰值可達(dá)10mV左右，而本文設(shè)計(jì)的低紋波直流測(cè)試電源測(cè)試波形平緩，幾乎沒有明顯紋波。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證，同等條件下（負(fù)載R=50Ω、輸出電壓12V），低紋波直流電源輸出紋波＜5mV，在恒壓輸出穩(wěn)定性方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用無(wú)紋波輸出的鉛酸蓄電池為核心供電源，經(jīng)線性穩(wěn)壓芯片調(diào)理電路獲得雙電池雙極性可調(diào)供電，輸出的直流電壓具有良好的穩(wěn)定性和安全性。經(jīng)測(cè)試比較，紋波控制效果顯著，與普通直流電源相比，紋波幅值縮小了2倍。

[1]陳昕.鋰電池供電的高效、低紋波、低高頻噪聲電源設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015(16)：246-247.

[2]李杰，程為彬，馮篤，等.低紋波雙電池直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39(14)：150-153.

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[4] JIANG，Jiu-chun，F(xiàn)eng，et al.Battery Management System Used in Electric Vehicles[J].Power electronics，2011，45(12):2-10.

[5]肖遼亮.后備電源鋰電池充放電方法改進(jìn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù):學(xué)術(shù)交流，2015(6)：208-208.