便攜式多功能電源設(shè)計及其在調(diào)試中的應(yīng)用研究

梁基廣

（汕尾供電局，廣東汕尾，516600）

0 引言

發(fā)電廠、變電站、配電網(wǎng)測試及電建工地現(xiàn)場常常需要進行各種安裝調(diào)試或測試，此過程中需要穩(wěn)定可靠、電能質(zhì)量高的各種交直流電源。由于突然的電力中斷，現(xiàn)場也沒有可供電電源，將會直接導(dǎo)致重要通信裝置無法傳達信息、夜間緊急任務(wù)無法執(zhí)行、重要設(shè)施無法操作等不良后果。另一方面，現(xiàn)場作業(yè)情況復(fù)雜多變，工作現(xiàn)場就地采接電源極不方便且存在安全隱患，在某些場合甚至沒有市電，無法進行調(diào)試工作，嚴(yán)重影響了運行維護工作、設(shè)備在線率、甚至影響到了正常供電。基于此本研發(fā)了一種效率高、耗能少、可靠性強的一種便攜式多功能調(diào)試專用電源，可作為檢修試驗電源、緊急電源、不間斷電源等一系列電源使用，解決了目前缺乏可持續(xù)性電源供電的問題，增強了實用性。

1 便攜式多功能電源應(yīng)用前景及設(shè)計要點

1.1 應(yīng)用前景

便攜式多功能調(diào)試專用電源具備輕量化、薄型化、小型化、集成度高、長時間持續(xù)運行的特點，運行安全性高，經(jīng)濟效率高。便攜式多功能調(diào)試專用電源利用計算機對試驗電源進行設(shè)計仿真和控制，使設(shè)計的試驗電源具有完美的電路結(jié)構(gòu)和更完善的工作狀態(tài)，而且智能化程度更高，狀態(tài)顯示更加靈活多樣，大大提升了工作現(xiàn)場的工作效率，保證供電的可靠性。

1.2 技術(shù)關(guān)鍵點及創(chuàng)新點

（1）整體電路采用微電腦控制，采用可同步整流的主控IC，內(nèi)部電路通過PI算法控制回路輸出穩(wěn)定的電壓和電流，支持多方式輸出，滿足運維人員現(xiàn)場調(diào)試對電源的要求。

（2）隨著電源的放置和使用，裝置內(nèi)部自動跟蹤并刷新自身的狀態(tài)信息，電源狀態(tài)信息可視化，便于運維人員直觀了解電源狀態(tài)，進行高效率智能化運維。

（3）此裝置體積小，重量輕，容量大，電源配備PCM以保證安全并防止損壞電源功能，內(nèi)部集成了過溫保護、過充保護和過放保護、輸出短路保護等幾乎所有安全保護功能，方便攜帶、靈活運用于各種場合，確保運維現(xiàn)場調(diào)試的安全性和可靠性。

2 便攜式多功能電源設(shè)計的技術(shù)原理

裝置由輸入、輸出整流濾波電路、ZVZCS-PWM 變換電路、高頻變壓器、反饋控制回路、輔助電源電路和各種保護電路等組成。

輸入的交流市電經(jīng)EMI濾波器整流濾波得到脈動的直流電，然后經(jīng)過ZVZCS-PWM 變換電路最后再整流濾波得到所要求的脈動直流電壓、電流。閉環(huán)控制回路主要是由采樣電路把采集到的電壓電流信號送入DSP主控制器中，且與基準(zhǔn)值相比較，依據(jù)比較結(jié)果采用PI算法調(diào)節(jié)PWM信號輸出，進而來控制功率開關(guān)管IGBT的開關(guān)，以此來達到輸出穩(wěn)定電壓電流的目的；另一方面，依據(jù)故障保護電路獲得的檢測信號，再由DSP采取相應(yīng)動作對試驗電源進行保護。而輔助電源主要給IGBT驅(qū)動模塊、DSP控制模塊等供電。

3 便攜式多功能電源具體設(shè)計分析

3.1 整體方案

多功能便攜式充電電源系統(tǒng)的硬件設(shè)計，包括操作板、主控板以及逆變器板3部分。其中，主控板控制電源的整體充放電電路，操作板顯示具體電量及其輸出信息，逆變器板實現(xiàn) 12V直流電和22V交流電的有效轉(zhuǎn)換。主控板通過CONN1B 與操作板相連接，借助墨水屏能顯示電池的具體電量。觸控開關(guān)可以針對性選擇電壓輸出端口。COON2與DC-AC逆變器相連接，逆變電路運用單極 SPWM 調(diào)制方式，運用電壓電流雙閉環(huán)反饋控制。CONN3 與蓄電池相連接，本次設(shè)計研究中運用了12V/14 A的酸鉛電池。充電電源主控板系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 充電電源主控板系統(tǒng)框圖

3.2 充放電電路設(shè)計

該電源系統(tǒng)充電情況下，可以與12V直流電源外接為蓄電池充電。與220V電源外接時，經(jīng)AC-DC外置模塊，成功轉(zhuǎn)換為12V直流輸入。充電過程中，經(jīng) SMT32F101單片機有效控制，分立PWM控制器與MOS-FET相配合，有效滿足充電控制的同時，更好地實現(xiàn)處理錯誤、測電池以及定時控制等多項功能。充電過程中運用單片機控制，以電池具體的充電曲線進行電壓檢測，并選擇針對性的充電方式。實際充電中，以電池的電壓狀態(tài)為依據(jù)，充電方式可分為慢充、快充、涓流預(yù)充以及自動終止充4種。11.5V以內(nèi)電壓下快充時，借助橫流充電；13.5V電壓下慢充時，借助恒壓充電。

該電源系統(tǒng)放電能滿足12V/5V直流和220V交流的輸出。點擊面板按鍵能有效控制開關(guān)輸出電壓，且綠色LED能充分顯示目前的輸出狀態(tài)。12V輸出可通過單片機有效控制MOS管，決定開端輸出回路。在完成電流采樣后加以反饋，輸出電流較閾值明顯較大時，切斷單片機的輸出回路，有效保護電路。5V直流輸出能調(diào)節(jié)DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓芯片，保證穩(wěn)定的電壓輸出值。將12V直流逆變運用于220V交流輸出，這種逆變電路可運用全橋架構(gòu)式主電路，經(jīng) SPWM控制產(chǎn)生正弦交流電，有效提升系統(tǒng)效率和電壓輸出波形的質(zhì)量。11V以內(nèi)的電池電壓下，系統(tǒng)會關(guān)閉全部輸出自動化，停止對外部供電。

該充電電源充放電的控制管理中，可以運用PWM脈寬調(diào)頻，選擇STM32單片機，利用不同信號所占據(jù)占空比的差異化控制調(diào)頻信號。通過控制開關(guān)管，可實現(xiàn)對充電電流的有效控制。通過運用STM32內(nèi)的FTM模塊，可有效控制PWM的輸出模式，最終獲得同樣的輸出模式。實際充電中運行的電流值在放大后與單片機的ADC端口相連接。單片機在準(zhǔn)確讀取電流值后，能設(shè)定較實際的充電電流。若實際運行的電流值較小，可以通過PWM占空比進行適當(dāng)調(diào)整，有效增加充電電流。

3.3 保護方案設(shè)計

為有效提升多功能便攜式充電電源的適用性、安全性、自動性以及可靠性，本次設(shè)計的電源裝置在故障保護等方面采取豐富措施，形成了十分完善的保護控制系統(tǒng)。保護電路的系統(tǒng)原理如圖2所示?？刂茊卧谋Ｗo作用實是保護、控制以及顯示電源，因此在設(shè)計電源保護控制單元的過程中，需要采取過壓、欠壓以及缺相等保護措施，同時包括直流輸出的過流保護、過壓保護、過溫保護以及輕載保護，能夠控制電源的啟動和停止、轉(zhuǎn)換工作模式以及進行復(fù)位等。顯示功能可以充分顯示不同的故障狀態(tài)，以便提示操作人員及時進行操作，為檢修調(diào)試提供了便捷。

圖2 保護方案設(shè)計原理圖

3.4 電源手機控制模塊設(shè)計

多功能便攜式充電電源時，手機間實現(xiàn)了藍(lán)牙的無線通信，即經(jīng)藍(lán)牙開關(guān)有效控制電路開關(guān)，并實時顯示電池狀態(tài)。運用 UART 串口連接單片機和藍(lán)牙模塊，CC2540芯片的藍(lán)牙模塊能支持4.0標(biāo)準(zhǔn)，AT指令可有效連接單片機和藍(lán)牙模塊。在具體的通信過程中，將手機作為主要設(shè)備，藍(lán)牙作為輔助設(shè)備，采用字符串方式實現(xiàn)信息的有效傳輸。

4 結(jié)論

隨著現(xiàn)代化信息社會的飛速發(fā)展，多類便攜式設(shè)備被普遍應(yīng)用于人們的日常生活和工作中，如MP4、筆記本電腦、I Pad、手機以及小型電子游戲等。人們?nèi)粘Ｍ獬龉ぷ骰蛴瓮嬗龅诫娏坎蛔闱疑砼杂譄o充電電源時，會影響人們的工作與游玩。為有效解決這一問題，提出一種多功能便攜式充電電源的設(shè)計思路，設(shè)計功率較大且重量輕的便攜式多功能充電電源。該多功能便攜式充電電源可以實現(xiàn)220V交流電和12V直流電的一體化，能夠支持220V、12V以及5V的直流輸出。