低纹波双电池直流稳压电源设计与实现

摘 要： 为实现供电电源的低纹波输出，采用纹波控制方法，设计了一种双电池充供欠满自主切换的低纹波直流电源，并对电源进行纹波特性测试。原始信号通过电压采集电路传输给控制主电路，控制主电路依据采集到的电压信号和继电器开关的通断原则来控制充供电选择电路，可供电电池通过线性电压调整电路即可实现一路5 V和两路可调电压输出，实现了从充电到供电的低纹波直流稳压输出。电源纹波测试采用同轴电缆测试装置，测试数据表明：低纹波直流稳压电源运行状况良好，输出电压稳定，与其他直流电源相比，在纹波控制方面具有较大优势。

关键字： 直流电源； 低纹波； 双电池； 通断原则

中图分类号： TN86⁃34； TP303+.3 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2016）14⁃0150⁃04

Design and implementation of low⁃ripple dual battery DC regulated power supply

LI Jie， CHENG Weibin， FENG Du， MAN Rongjuan

（School of Electronic Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065， China）

Abstract： In order to realize the low⁃ripple output of the power supply， a low⁃ripple dual battery DC power supply was designed with the ripple control method， which can switch from the low power state to full power state automatically. The ripple characteristic test for the power supply was performed. The original signal is transmitted to the main control circuit through the voltage acquisition circuit， and then the main control circuit is used to control the charging and supplying power selection circuit according to the on⁃off principle of the relay switch and collected voltage signal. The power supply battery can realize +5V voltage output in one channel and adjustable voltage output in two channels through the linear voltage adjustment circuit. The low ripple DC voltage regulator output from charging state to supplying power state was implemented. A coaxial⁃cable testing device was adopted in power supply ripple test. The test data shows that the low ripple DC regulated power supply has good running condition and greater advantage in ripple control in combination with other DC power supply， and its output voltage is stable.

Keywords： DC power supply； low ripple； dual battery； on⁃off principle

0 引 言

提高参数测量精确度的重要方法是降低各类误差，其中直流电源纹波是产生误差的主要根源之一。二极管工频整流后直流电源有较大的工频纹波，需要较大容量滤波器件；开关电源采用高频工作，滤波器件体积和容量降低[1]，但存在高频纹波，虽然通过增加电路滤波器件可降低纹波，有时可达几毫伏，但仍达不到高精度测量的要求[2]。

本身没有纹波的直流电池供电是一种较好的选择，可以得到高质量的直流电源供应，但单一电池的容量有限，需要充电。有些电源采用交流供电、电池备用的方式，可保证交流失电后一段时间内的供电，交流供电时的纹波仍然存在。

为了克服了现有工频整流稳压电源和开关电源纹波控制技术的不足，以及电池容量有限不能持续低纹波输出的问题，本文设计了一种基于STC89C54的低纹波双电池直流稳压电源。

1 硬件电路原理

系统的硬件主要包括控制主电路、电压采集电路、充电选择电路、供电选择电路、线性电压调整电路、可充电电池以及电源适配器，电路结构如图1所示。

控制主电路包括单片机STC89C54、A/D转换器PCF8591和LCD12864。PCF8591把模拟型的电压信号转换成数字信号，供单片机进行信号处理；单片机根据当前电池的充、供、欠、满4种状态和继电器通断原则，实现对双电池充电和供电的最优控制；液晶显示器显示各个电池的充、供、欠、满4种状态，并且实时显示各个电池当前电压以及充电电池的充电电流，为使用者提供便捷。

电压采集电路由分压电阻、运算放大器和充电电流采样电阻组成，电池端电压首先通过分压电阻分压，再由运算放大器调整到可采集的电压范围，最后传输到PCF8591进行A/D转换，而充电电流采样电阻的作用是把充电电流信号转换成电压信号。

充电选择电路和供电选择电路分别是由两个继电器开关和两个二极管组成[3]，控制主电路遵循通断原则控制继电器闭合与断开，在保障持续供电的前提下，尽可能使稳压电源低纹波输出。线性电压调整电路采用线性稳压模块、滤波电路和缓冲电路来稳定输出和降低开关调整产生的谐波，以此实现稳定的低纹波输出。可充电电池选择12 V电池，并配备相应的电源适配器。双电池低纹波直流稳压电源供电原理图如图2所示。

2 硬件电路设计

2.1 控制主电路设计

控制主电路是以自带看门狗的单片机STC89C54为控制核心，A/D转换器PCF8591输出的数字信号和充供继电器开关的通断情况作为单片机的输入信号，LCD12864为显示输出，单片机遵循以下几个通断原则控制双电池的充供电：

（1） 该电池充电开关需要闭合时，必须同时满足：

① 该电池处于未充满状态；

② 该电池的供电开关处于断开状态（即该电池不供电）；

③ 另一电池的充电开关处于断开状态（即两个电池不同时充电）。

（2） 该电池充电开关需要断开时，只需满足其一即可：

① 该电池处于充满状态；

②该电池的供电开关即将闭合（即需要该电池供电）；

③另一电池的充电开关即将闭合（即两个电池不同时充电）。

（3） 该电池供电开关需要闭合时，必须同时满足：

① 该电池处于不欠电状态；

② 该电池的充电开关处于断开状态（即该电池不充电）；

③ 另一电池的供电开关即将断开（即两个电池不同时供电，但为了保证后级供电，需要该电池供电开关闭合后，另一电池供电开关才能断开）。

（4） 该电池供电开关需要断开时，只需满足其一即可：

① 该电池处于欠电状态；

② 该电池的充电开关即将闭合（即该电池需要充电）；

③ 另一电池的供电开关已经闭合（为保证后级供电，另一电池供电开关闭合后，该电池供电开关才能断开）。

如图2所示，以上四条通断原则逻辑关系可总结为：

式中：B1Q，B1M分别代表B1电池欠电和B1电池满电。

以通断原则为根本控制思想，完成软件程序的编写和调试，是实现低纹波、稳定、持续供电的核心思路。

2.2 电压采集电路设计

由于电池充电时，采集到的电池端电压是充电器的端电压，不能只用电池端电压值来判断电池是否满电，所以需要电池端电压信号采集电路和充电电流信号采集电路配合使用[4⁃5]。

电池端电压信号采集电路又可分为正极性电池电压信号采集和负性电池电压信号采集，由于所选择的串行A/D转换芯片PCF8591可识别0～5 V电压信号[6]；故正极性电池电压信号需通过一组分压电阻分压为0～5 V，再接电压跟随器即可采集成功；而负极性电池电压信号由于负电压的特殊性，需先通过分压电阻分压为反相运算放大器可识别的电压范围内，然后选择合适的放大倍数，反向放大到合适的电压区间[7]。负极性电池端电压信号采集电路如图3所示。

充电电流信号采集电路也可分为正极性充电电流信号采集和负性充电电流信号采集。采集到信号实际上是电压信号，但是考虑到功耗问题，所选用的采样电阻十分小，故采集到的电压信号十分微弱，所以分别需要通过同相比例放大器和反向比例放大器来放大采集到的微弱电压信号，并且在放大器输入端加入了RC滤波电路来抑制干扰。

这样就使得所有电压信号满足PCF8591芯片的采集范围，为后级控制主电路的信号输出提供参考。正极性充电电流信号采集电路如图3所示。

2.3 其他电路设计

除了控制主电路和电压采集电路，该系统还包括充电选择电路、供电选择电路、线性电压调整电路、可充电电池和电源适配器。

这几部分电路中，充电选择电路和供点选择电路分别是由两个5 V继电器和两个二极管组成，由单片机根据通断原则依次输出高低电平来控制各个继电器的导通和断开，二极管的单向导通性，保证了充电电流或者供电电流的单向性；线性电压调整电路通过三块线性稳压模块分别可实现一路5 V和两路可调电压输出，稳压模块前级输入和后级输出分别并联0.1 μF普通电容和100 μF电解电容来对输入/输出电流滤波和缓冲，达到稳定输出和降低开关调整谐波的目的，以此实现稳定的低纹波输出。

线性稳压模块的性能要求输入电压比输出电压高2～3 V，所以本设计选择无纹波的12 V可充电电池为后级电路提供低纹波直流电压，前级交流充电选择与之匹配的电源适配器提供充电电流。

3 软件系统设计

低纹波双电池稳压电源开始上电，程序初始化完成，接着将采集到的电压信号A/D转换并显示于LCD12864，然后控制主电路判断双电池是否均欠电，若均欠电，则充满一个电池，再依次执行A/D转换子程序、电池状态扫描子程序、供电子程序、充电子程序以及液晶显示子程序；若至少一个电池不欠电，则直接执行后级子程序。设计流程图如图4所示。

4 电源纹波测试分析

电源制作并调试完毕后，采用同轴电缆测试装置来对电源进行纹波测试，在被测电源的输出端接RC电路后经输入同轴电缆后接示波器的AC输入端，具体连接方法如图5所示[8]。

示波器选用RIGOL公司的DS1204B，在示波器的设置方面，应注意尽量使用示波器最灵敏的量程档，打开AC耦合和带宽限制功能，表笔选用同轴电缆，并设置衰减比为1倍[9⁃10]。

根据以上方法，分别对普通直流电源（兴隆NS⁃3）、可编程直流电源（RIGOL DP832）和本设计的低纹波直流电源进行纹波对比，三种电源输出电压均为5 V，测量结果如图6所示。

由图6可知，普通直流电源输出纹波为5.36 mV，可编程直流电源输出纹波为2.88 mV，低纹波直流电源输出纹波为400 μV。

纹波对比试验结果可知，同环境、同电流以及同负载情况下，本文设计的低纹波直流电源输出纹波电压低于500 μV，在输出纹波方面优于其他直流电源。

5 结 语

设计的低纹波直流电源可以准确识别电池电压和充电电流，并能遵循开关通断原则实时控制继电器，控制状况良好。输出纹波对比试验表明：本设计在纹波控制方面具有较大优势，是实现高精度参数测量的有效途径。

目前，该低纹波双电池直流稳压电源已成功应用到旋转导向钻井测斜仪中，电源工作稳定可靠，参数测量精确度明显提高。

注：本文通讯作者为程为彬。

参考文献

[1] 贾洪成.一种新型的直流稳压[J].电气时代，2000（4）：22⁃23.

[2] 刘金涛，田书林，付在明.一种高精度低纹波的DC⁃DC电源设计[J].中国测试，2010，36（6）：62⁃64.

[3] 陈霖，王丽文，钱渭，等.继电器的选择和使用[J].机电元件，2011，31（6）：43⁃49.

[4] 乔波强，侯振义，王佑民.蓄电池剩余容量预测技术现状及发展[J].电源世界，2012（2）：21⁃26.

[5] JIANG Jiuchun， WEN Feng， WEN Jiapeng， et al. Battery management system used in electric vehicles [J]. Power electronics， 2011， 45（12）： 2⁃10.

[6] 周剑利，郭建波，崔涛.具有I2C总线接口的A/D芯片PCF8591及其应用[J].微计算机信息，2005，21（7）：150⁃151.

[7] 崔张坤，梁英，龙泽，等.锂电池组单体电压采集电路的设计[J].沈阳理工大学学报，2011，30（3）：29⁃33.

[8] 程惠，任勇峰，王强.电源纹波的测量及抑制[J].电源技术，2012，36（12）：1899⁃1900.

[9] 高增鑫.基于RIGOL数字示波器的电源纹波自动测量系统[J].世界产品与技术，2008（10）：87⁃88.

[10] 王旭东，张方华，肖旭，等.带双Buck逆变器的DC/DC变换器低频电流纹波抑制[J].电力电子技术，2013，47（5）：35⁃37.

[11] 方莹，陈军峰，吴智正.一种双锂电池组供电的混合动力汽车电池组设计[J].现代电子技术，2015，38（22）：155⁃157.