一種開關線性復合電源及控制策略

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、過程中電氣指標測量對比、充電過壓保護、充電過流保護及信號模擬觸發(fā)。在nA 級功耗測量、uV、uA 級電氣指標對比測試項目中，需要低紋波的電源。在保護測試過程中需要捕捉到uS 級保護的時間參數，則需要更快響應的電源。當前程控電源功率變換多數使用純開關電源或純線性電源拓撲。

開關電源是一種常用電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，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域中精密的應用場合，如保護板待機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)，相當是通過改變功率器件的阻值實現穩(wěn)定輸出,同時將多余能量全部消耗掉。故沒有開關噪聲，具有低紋波、高穩(wěn)定和搞突變能力強等特性，適合測量精密信號及測量保護時間。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至輸入電壓等缺點。

如何在鋰電池測試領域設計完美的程控電源源表（SMU）一直是一個大挑戰(zhàn)，本文中使用開關線性復合技術并加以專業(yè)數字信號控制器實現功率自動控制實現一種低紋波、高效率、高可靠性、高響應鋰電池測試用開關線性復合程控電源源表。

1 主電路拓撲及原理

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、手機鋰電池測試。系統框圖如下。

圖1 系統框圖

由于需求屬于低壓非隔離降壓的場合，故前級開關電源選用Buck 拓撲，單片機通過調整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撲，實現低紋波、高響應、低噪聲、高精度的輸出。

1.1 系統硬件設計

前級開關電源采用同步整流Buck 電路，實現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 做為功率調節(jié)器件。

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

控制系統的單片機采用的Microchip 高性能DSC 芯片dsPIC30F2020，是一款專業(yè)的開關電源數字信號控制器。其ADC 外設具有12 路輸入通道和2MS/s的采集率；其專業(yè)電源PWM 外設，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。

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Buck 開關電源控制、實現線性電源控制、實現模擬量采集（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 采集及相關保護及通信。

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

單片機內部ADC 采集母線電壓Vbus、輸出電壓Vout 及母線電流Ibus，用于進行相關buck 控制，及線性功率自動調整控制。單片機外部ADC 采集高精度模擬量，用于鋰電池測試。

1.2 系統軟件設計

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

根據上位機設置的Vbus，dsPIC30F2020 在復合電源輸出時控制Vbus 電壓輸出在對應水平。如：測試2 串電池時，上位機設置Vbus_set 為10V，dsPIC30F2020 自動控制Buck輸出在10V；在測試1 串電池時，上位機設置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Ploss實時調整Buck 電源輸出。

2 測試結果與分析

2.1 上升沿性能

復合電源空載時，Vbus 電壓固定在Vbus_set，使用上位機軟件加載輸出，觀測開關線性復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 調整流程圖

圖8 復合電源上升沿

2.2 紋波對比

使用示波器交流檔觀測Vbus 側與Vout 側電源紋波。電源紋波減少44mV，減少80%。

實際觀測Vbus 側開關電源紋波55mV。

實際觀測Vout 側電源紋波11mV。

圖10 開關線性復合電源紋波

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，記錄復合電源與普通線性電源整體效率，及開關電源效率，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，復合電源的效率較獨立的線性電源提升28%。

圖11 復合電源上升沿

2.4 關斷沖擊

在測試單串電池時，Vbus 可設置為5.5V，可有效降低沖擊幅度。輸出4V3A的情況下，記錄復合電源與普通線性電源斷載后的輸出電壓曲線，復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。

復合電源（Vbus 為5.5V），電壓沖擊為1.24V。

3 結束語

本文介紹了采用開關線性復合技術及單片機控制策略實現一種低紋波、高可靠性的線性電源，方案可行，較傳統開關電源相比，EMI、輸出紋波于線性一致；較傳統的線性電源相比，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。