一種用于某電臺(tái)的車載多功能電源設(shè)計(jì)

柯樂樂，吳 林，宋金華，俱強(qiáng)偉

（同方電子科技有限公司，江西 九江 332002）

0 引 言

某車載電源是為車載電臺(tái)及其車載電子設(shè)備供應(yīng)電力能源的設(shè)備，首先，其能夠適應(yīng)野外作業(yè)的要求，即適應(yīng)電池（可放電又可充電）、交/直流發(fā)電機(jī)發(fā)電、光伏發(fā)電、電網(wǎng)供電等不同輸入源供電。其次，還要求不同輸入源供電能夠智能切換，避免繁瑣的人工判斷與按鍵。最后，要求輸入源切換期間不引起車載某電臺(tái)工作異常，確保切換期間紋波小，抗電磁干擾強(qiáng)，供電穩(wěn)定，狀態(tài)指示正確[1]。

根據(jù)某車載電源的性能要求，本文設(shè)計(jì)了一種某電臺(tái)的車載多功能電源，其具有雙電池充放電功能，交/直流輸入功能，以及完成工作狀態(tài)的智能切換與狀態(tài)指示功能，還具有紋波小、抗電磁干擾強(qiáng)、供電穩(wěn)定、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[2]。

1 設(shè)計(jì)原理

圖1 為某車載電源的原理框圖。電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)含有交/直流輸入濾波電路，AC/DC 模塊電路，DC1/DC1 模塊電路，DC2/DC2 模塊電路，微機(jī)及其采樣、控制與指示電路[3]。

圖1 某車載電源原理

2 車載電源設(shè)計(jì)

2.1 車載電源軟件設(shè)計(jì)

某車載電源程序流程如圖2 所示。

圖2 某車載電源程序流程

2.2 車載電源設(shè)計(jì)要求

輸入交流電壓范圍：AC 176 ～264 V。

輸入交流頻率：（50±3）Hz。

輸入直流電壓范圍：DC 10 ～40 V。

輸出到電臺(tái)電壓：DC 24 V。

輸出到計(jì)算機(jī)電壓：DC 19 V。

輸出到電池最高充電電壓：（29.2±0.1）V。

電池輸出：24 V（電池電壓）/20 A。

雙電池充電模式：先恒流后恒壓充電，充滿后自動(dòng)斷電。

電池充電電流：交流輸入時(shí)最大充電電流為40 A；直流輸入時(shí)最大充電電流為13 A。

2.3 車載電源硬件電路設(shè)計(jì)

2.3.1 AC/DC 模塊電路設(shè)計(jì)

AC/DC 模塊自帶PFC 電路與DC/DC 變換電路，組成如圖3 所示。

圖3 AC/DC 模塊電路

連接器XS1 為交流220 V 輸入，R1=20 Ω 為限制浪涌電流電阻，升壓電壓電解電容C2=C3=C4=C5=470 μF/450 V，R15、R16懸空不使用，輸出濾波電解電容C8=C9=C10=1 500 μF/50 V（依據(jù)：輸出紋波電壓取決于電容的阻抗Zc=ΔV/ΔI，ΔV為紋波電壓，ΔI=2*Imax*η，Imax為輸出最大電流，容值C=ΔI*Ton/ΔV，Ton為導(dǎo)通時(shí)間），D13 為模塊的開關(guān)機(jī)信號(hào)，當(dāng)D13 為高電平時(shí)拉低三極管V5，三極管V2懸空，模塊不工作；當(dāng)D13 低電平時(shí)三極管V5 懸空，三極管V2 拉低，模塊工作，Ki 受恒流控制電路輸出控制，輸出調(diào)壓維持恒流充電功能（調(diào)壓公式：Rup=26 550*Vo（/Vo-28）Ω；Rdown=2 000*Vo/（28-Vo）Ω），三極管V4 對(duì)恒流控制信號(hào)Ki起輔助作用，確保電池充電恒流有效，電池不充電恒流作用失效，以對(duì)電臺(tái)、電腦等車載電子設(shè)備供電[4-6]。

2.3.2 DC1/DC1 模塊電路設(shè)計(jì)

DC1/DC1 模塊電路針對(duì)直流輸入DC/DC 變換如圖4 所示。連接器XS3 連接直流輸入9 ～40 V，經(jīng)過(guò)C11、L3、C12、C13濾波（電感值依據(jù)公式：L=（Vinmax-Vout）*Vout/（ΔI*Vinmax*f），f為電源模塊開關(guān)頻率）。穩(wěn)壓管V23，三極管V24，電阻R4、R5及C14組成輸入過(guò)壓保護(hù)電路，電阻R6、R12（圖8 中）為輸出調(diào)壓電阻（調(diào)壓公式：Rup=(?*Vset/100)kΩ，?=(|Vo-Vset|/Vset)*100，Rdown=253.44*(100-?)/(40.68*?+0.24)*100 kΩ)，Vset為調(diào)壓電阻懸空輸出電壓，Vo為調(diào)整后的電壓。電容C15、C16為輸出濾波電解電容[7]。

圖4 DC1/DC1 模塊電路

2.3.3 DC2/DC2 模塊電路設(shè)計(jì)

DC2/DC2 模塊電路的輸入來(lái)自AC/DC 模塊的輸出，其輸出到車載筆記本電腦，如圖5 所示。電感L1、電容C1與C2組成輸入濾波電路，電阻R4為模塊負(fù)邏輯開機(jī)控制。電阻R4為調(diào)壓電阻（調(diào)壓公式：Rup=(5.11*Vset*(100+?)/1.24*?-511/?-10.22 kΩ，?=(|Vo-Vset|/Vset)*100，Rdown=511/?-10.22 kΩ)，Vset為調(diào)壓電阻懸空輸出電壓，Vo為調(diào)整后的電壓。電感L2，電容C4、C5、C6與C7組成輸出濾波電路。

圖5 AC/DC 模塊電路

2.3.4 微機(jī)端口地址分配

微機(jī)端口地址分配電路如圖6 所示。

圖6 微機(jī)端口地址分配電路

微機(jī)采用C8051F020 芯片，其引腳定義見表1 ～表3 所列，空余腳懸空。

表1 采樣與開關(guān)連接引腳

表2 控制連接引腳

2.3.5 雙電池充電電流采樣與控制電路設(shè)計(jì)

如圖7 所示，N7B 為運(yùn)放，其輸出受輸入信號(hào)A3A、微機(jī)控制信號(hào)D10 和D11 控制，其輸入輸出關(guān)系見表4 所列。電路工作原理：在恒流模式1 下，D10 和D11 為低電平，僅有輸入信號(hào)A3A（充電總電流檢測(cè)，高電平為電池充電，低電平為車載設(shè)備供電），此時(shí)運(yùn)放輸出1.65 V 的Ki 信號(hào)到如圖3 中的R9，控制三極管V3 導(dǎo)通，控制輸出的電壓達(dá)到恒流30 A。在恒流模式2 下，信號(hào)D10 高電平和D11 低電平，或者信號(hào)D10 低電平和D11 高電平，運(yùn)放輸出1.1 V，對(duì)應(yīng)恒流24.44 A 充電。在恒流模式3 下，D10 和D11 高電平，運(yùn)放輸出0.825 V，對(duì)應(yīng)恒流18.33 A 充電。此舉實(shí)現(xiàn)了交流輸入的三檔恒流充電[8-11]。

表4 恒流充電控制信號(hào)關(guān)系

圖7 交流輸入的三檔恒流電路

如圖8 所示，N7A 為運(yùn)放，其輸出受輸入信號(hào)A3A（即充電總電流檢測(cè)）控制，其輸入輸出關(guān)系見表5 所列。電路工作原理：在恒流模式1 下，信號(hào)A3A 為低電平，直流輸入不給電池充電，給車載某電臺(tái)供電。在恒流模式2 下，信號(hào)A3A 為高電平，直流輸入僅電池充電，不給車載某電臺(tái)供電。此舉實(shí)現(xiàn)了直流輸入輸出供電控制[12-15]。

表5 恒流充電控制信號(hào)關(guān)系

圖8 直流輸入的兩檔恒流電路

2.3.6 車載電源狀態(tài)顯示電路設(shè)計(jì)

微機(jī)控制信號(hào)D17、D18 和D19 為車載某電源工作狀態(tài)指示控制信號(hào)，狀態(tài)指示用綠燈表示，交流充電時(shí)“交流充電”指示燈閃爍，充滿常亮。直流充電時(shí)“直流充電”指示燈閃爍，充滿常亮。14.4 V 鋰電充電時(shí)“鋰電充電”指示燈閃爍，充滿常亮。直流輸出空開合上時(shí)“直流輸出”指示燈亮。LED充電狀態(tài)指示電路如圖9 所示。

圖9 LED 充電狀態(tài)指示電路

2.3.7 輸出電子開關(guān)電路設(shè)計(jì)

微機(jī)控制信號(hào)D20，28 VBB 輸出控制，當(dāng)D20 為低電平時(shí)，三極管V4 不導(dǎo)通，V3 由PMOS 在28 V 通過(guò)限流電阻R16控制其斷開。當(dāng)D20 為高電平時(shí)，三極管V4 導(dǎo)通，V3 由PMOS 在28 V 通過(guò)限流電阻R16被拉低從而控制V3的PMOS 導(dǎo)通，28 V 輸出供電。輸出電子開關(guān)控制電路如圖10 所示。

圖10 輸出電子開關(guān)控制電路

3 仿真驗(yàn)證

3.1 交流充電三檔電流控制電路仿真

圖11 為交流輸入三檔恒流控制充電電路仿真圖，其波形圖如圖12 所示。

圖11 交流三檔恒流充電仿真

圖12 交流三檔恒流充電仿真波形

3.2 直流充電兩檔電流控制電路仿真

圖13 為直流輸入兩檔恒流控制充電電路仿真圖，其波形圖如圖14 所示。

圖13 直流兩檔恒流充電仿真

圖14 直流兩檔恒流充電波形

3.3 輸出電子開關(guān)電路仿真

圖15 為28 V 輸出電子開關(guān)仿真電路圖，其波形圖如圖16 所示，車載某多功能電源前后面板如圖17 所示。

圖15 輸出電子開關(guān)仿真電路

圖16 輸出電子開關(guān)仿真波形

圖17 車載某多功能電源前后面板

為驗(yàn)證車載某多功能電源各項(xiàng)性能，分別驗(yàn)證了電池充電與電池不充電兩種狀態(tài)，每種狀態(tài)又對(duì)應(yīng)交流輸入與直流輸入兩種狀態(tài)，因此車載某多功能電源共有4 種工作狀態(tài)，即交流輸入電池充電與電池不充電，直流輸入電池充電與電池不充電。同時(shí)也測(cè)試了指示燈工作狀態(tài)，驗(yàn)證了輸入輸出的過(guò)欠壓與過(guò)電流保護(hù)功能[16-21]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文圍繞車載某多功能電源的工作原理，首先根據(jù)車載電源的工作狀態(tài)與保護(hù)電路控制設(shè)計(jì)其程序流程，確保車載電源工作穩(wěn)定可靠。然后根據(jù)車載電源各功能設(shè)計(jì)了交直流輸入的變換電路與控制硬件電路，即交流輸入的AC/DC 電路到電臺(tái)/電池，DC2/DC2 變換電路到筆記本電腦。直流輸入的DC1/DC1 電路到電臺(tái)/電池，共用DC2/DC2 變換電路到筆記本電腦。最后還對(duì)車載某多功能電源的電池三檔與兩檔的恒流控制硬件電路、輸出電子開關(guān)電路進(jìn)行Saber 軟件仿真，通過(guò)設(shè)定控制信號(hào)的高低電平觀察波形，驗(yàn)證了電路的理論可行性，并對(duì)車載電源加電，驗(yàn)證了其能夠穩(wěn)定、高效工作。