便攜式多功能電源設計及其在調試中的應用研究

梁基廣

（汕尾供電局，廣東汕尾，516600）

0 引言

發電廠、變電站、配電網測試及電建工地現場常常需要進行各種安裝調試或測試，此過程中需要穩定可靠、電能質量高的各種交直流電源。由于突然的電力中斷，現場也沒有可供電電源，將會直接導致重要通信裝置無法傳達信息、夜間緊急任務無法執行、重要設施無法操作等不良后果。另一方面，現場作業情況復雜多變，工作現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，無法進行調試工作，嚴重影響了運行維護工作、設備在線率、甚至影響到了正常供電。基于此本研發了一種效率高、耗能少、可靠性強的一種便攜式多功能調試專用電源，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性電源供電的問題，增強了實用性。

1 便攜式多功能電源應用前景及設計要點

1.1 應用前景

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

1.2 技術關鍵點及創新點

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

（2）隨著電源的放置和使用，裝置內部自動跟蹤并刷新自身的狀態信息，電源狀態信息可視化，便于運維人員直觀了解電源狀態，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，確保運維現場調試的安全性和可靠性。

2 便攜式多功能電源設計的技術原理

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EMI濾波器整流濾波得到脈動的直流電，然后經過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，且與基準值相比較，依據比較結果采用PI算法調節PWM信號輸出，進而來控制功率開關管IGBT的開關，以此來達到輸出穩定電壓電流的目的；另一方面，依據故障保護電路獲得的檢測信號，再由DSP采取相應動作對試驗電源進行保護。而輔助電源主要給IGBT驅動模塊、DSP控制模塊等供電。

3 便攜式多功能電源具體設計分析

3.1 整體方案

多功能便攜式充電電源系統的硬件設計，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 12V直流電和22V交流電的有效轉換。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 調制方式，運用電壓電流雙閉環反饋控制。CONN3 與蓄電池相連接，本次設計研究中運用了12V/14 A的酸鉛電池。充電電源主控板系統框圖如圖1所示。

圖1 充電電源主控板系統框圖

3.2 充放電電路設計

該電源系統充電情況下，可以與12V直流電源外接為蓄電池充電。與220V電源外接時，經AC-DC外置模塊，成功轉換為12V直流輸入。充電過程中，經 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，以電池的電壓狀態為依據，充電方式可分為慢充、快充、涓流預充以及自動終止充4種。11.5V以內電壓下快充時，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輸出電壓，且綠色LED能充分顯示目前的輸出狀態。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直流輸出能調節DC/DC開關穩壓芯片，保證穩定的電壓輸出值。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式主電路，經 SPWM控制產生正弦交流電，有效提升系統效率和電壓輸出波形的質量。11V以內的電池電壓下，系統會關閉全部輸出自動化，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脈寬調頻，選擇STM32單片機，利用不同信號所占據占空比的差異化控制調頻信號。通過控制開關管，可實現對充電電流的有效控制。通過運用STM32內的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。單片機在準確讀取電流值后，能設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占空比進行適當調整，有效增加充電電流。

3.3 保護方案設計

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。保護電路的系統原理如圖2所示。控制單元的保護作用實是保護、控制以及顯示電源，因此在設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、轉換工作模式以及進行復位等。顯示功能可以充分顯示不同的故障狀態，以便提示操作人員及時進行操作，為檢修調試提供了便捷。

圖2 保護方案設計原理圖

3.4 電源手機控制模塊設計

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

4 結論

隨著現代化信息社會的飛速發展，多類便攜式設備被普遍應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。人們日常外出工作或游玩遇到電量不足且身旁又無充電電源時，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計思路，設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。