便携式XRF的电源系统设计

于来宝，王典洪

（1.中国地质大学 地球物理与空间信息学院，武汉 430074；2.武汉城市职业学院 机电学院，武汉 430071）

X射线荧光分析在物质成分分析领域具有重要的地位，X射线荧光分析（XRF）与X射线衍射分析（XRD）相结合，即可得到物质的元素构成，也能得到物质的分子构成和百分比含量，与ICP等其他方法相比具有不可比拟的优势。随着经济和技术的发展，XRF已成为工业部门、科研院所重要的分析仪器设备，XRF技术在各种科研和工业领域得到广泛的应用，也得到不断的发展，同时，各种实际应用环境也对XRF提出了新的要求。目前，XRF的应用不仅局限于实验室等固定场所，在野外应用日趋广泛，便携式XRF应运而生。Xenemetrix、荷兰帕纳科、哈里伯顿等世界主要XRF生产商都推出了便携式XRF设备，我国科研工作者也对便携式XRF进行了大量的研究，并取得了一定的成果[1]。

为保证轻便，便携式XRF往往选用锂电池作为电源，与铅酸蓄电池（40 Wh/kg）、镍镉蓄电池（50～60 Wh/kg）等相比，锂离子电池（130～700 Wh/kg）具有更高的能量密度，且锂电池技术成熟，经过严格温度、湿度、振动测试，工作稳定可靠，可适应复杂多变的野外环境[2]。但随着XRF老化，内部电化学物质不均匀，锂电池容量会不断损失，待机时间会逐渐下降，这将对XRF在野外的正常使用产生不利影响。

因此，按照锂电池的工作特性，设计一种XRF智能充电电路，修复锂电池过放电和内部不均匀导致的容量损失，同时提高电池后级电路的能量使用效率，具有积极的意义。

1 便携式XRF总体结构

便携式XRF整机主要由电源、X射线管电源、X射线管、检测与保护电路、SI-PIN探测器及探测分析器件等主要部分组成，如图1所示[3]。主要电路部件型号：

锂电池组由上海捷士电池制品有限公司定制，锂电池组 14.8 V，带保护板，80 Wh。

X射线管电源威思曼XRN高精度高压电源，可提供0～5.5 V灯丝电源和6～70 kV高压电源。

X射线管丹东志达XH501型，最高管电压40 kV、最大管电流0.5 mA、最大额定功率20 W，铜靶；灯丝电压最大2.2 V；灯丝电流最大1.9 A。

图1 X射线荧光分析系统结构Fig.1 Schematic diagram of XRF

SI-PIN探测器X-123型SI-PIN探测系统内含SI-PIN探测器、前置放大器、数字脉冲处理器、MCA等。探测器采用美国AMPTEK公司生产的XR-100 CR型Si-PIN半导体探测器，对55Fe源（5.9 keV）的半高宽度为149 eV。放大器采用和探测器相匹配的PX2T型放大器，分析装置采用MCA8000A型多道分析器和PMCA多道能谱分析软件。

PC104主机 主控单元，用于数据处理、用户交互等，最大电流2 A，工作电压 +5 V。

其他电路温控制冷、状态显示、通讯端口等。

2 电源系统分析

XRF的电源系统主要包括：

射线管高压电源为XH501型X射线管提供灯丝电压和高压偏置电压，射线管为铜靶，灯丝电压，最大2.2 V；偏置电压可达70 kV；电源需输入24 V，最大额定功率20 W。

探测器电源采样X-123 SI-PIN探测器，输入5 V，20 mA。

PC104主板电源主控单元，电压输入+5 V，最大工作电流2 A。

冷却系统电源射线管表面最高温度禁止超过55℃，采用风冷方式，选用24V风扇，电流29 mA，直流轴流风扇，1500 r/min，33 m3/h。

其他电路包括温度检测电路、电压检测与指示、LCD、其他电路等，功耗较小。

XRF的电源系统结构如图2所示。

图2 XRF电源系统Fig.2 Power system of portable XRF

3 充电电路设计

3.1 锂电池组充电机理

锂电池传统的充电方法主要有恒流、恒压、恒压限流、恒流限压、先恒流后恒压等，这些方法比较容易实现，但易造成电池介质和电极不均匀伤害、容量损失等问题[2]。现在人们对电池充放电机理已经有了较深入的研究，对电池的充电过程各阶段的内在原理和特点有了深入认识，本课题根据锂电池各个阶段的特点，设计了一种智能充电电路，根据电池的状态选择最优充电方法，避免电池损坏和容量损失。锂电池的充电过程主要可分为4个阶段（以单个锂电池为例说明，如果为n个锂电池串联，则电压为n×每个阶段电压，C为电池容量）：

涓流充电电池电压低于3 V时，采用最大0.05 C的恒定电流对电池进行恢复性充电；

恒流充电电池电压上升到3 V以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2 C～1.0 C之间。

恒压充电当电池电压上升到4.2 V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。为使性能达到最佳，稳压容差应当优于+1%。

充电终止与镍电池不同，并不建议对锂离子电池连续涓流充电。连续涓流充电会导致金属锂出现极板电镀效应。是否停止充电，主要通过监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流减小到0.02 C时或总的充电时间达到8 h终止充电。

正常情况下，完成对完全放电电池的充电约需要 2.5 h～3 h。

3.2 充电电路硬件设计

针对锂电池不通充电阶段的要求，所设计充电电路应该具有电压检测、恒流升压输出、恒压降流输出、电流检测，状态切换等主要功能。为保持便携性，XRF选用4串锂电池组，低于12 V为预充电阶段，12 V～16.8 V为恒流充电阶段，16.8 V为恒压充电阶段。充电电路如图3所示。

图3 XRF充电电路Fig.3 Charging circuit of portable XRF

图中，AC-DC模块采用开关电源RS-100（621-0679）、100 W、24 V，XL4016 对电压 Buck 调整，FB脚接电流负反馈。系统根据LI_AD采样电压和I_AD采样电流及不同充电阶段的要求，计算得到XL4016 FB端PWM占空比，从而实现对电池充电过程的恒流或恒压控制[4]。

3.3 充电电路软件设计

电池充电过程的状态切换，需要根据电池电压进行切换，充电模块分为涓流充电、恒流充电、恒压充电、充电终止判断4个阶段。软件流程如图4所示。

进入充电模式后，启动AD定时采样，获得当前电压、电流采样数据，并进行计算，将之与各个转折电压进行比较判断，并根据当前电池电压和计算获得输出量调整PWM占空比，调整XL4016 FB端占空比，从而调整输出电压和电流。

当V0＜VS时，调整XL4016输出电压，充电电流恒定为 0.05 C；当 Vf＞V0＞VS时，调整 XL4016 输出电压，充电电流恒定为0.9 C；当V0＝Vf后，充电电压恒为 Vf，当 I0＜It或 t＞8 h 结束充电。

图4 充电流程Fig.4 Charging flow chart

4 转换电路设计

分析可知，在无外部电源的情况下，锂电池需转换产生的电源主要有24V，1A（威斯特XRN电源、冷却系统）；5 V，2 A（PC104 主板、探测器、温度检测、电压指示等电路）；3.3 V，100 mA（AD、LCD 等）。

转换电路的输入为锂电池组的输出，电压范围为10.8 V～16.8 V。在接外部电源时，电路输入端为16.8 V，XRF处于充电状态或数据处理状态，要求转换电路电压输出通断可控。

4.1 24 V，1 A电路设计

输出电压为24 V，输出电流大于1 A，为满足系统要求，选用XL6019开关电流升压/升降压型DCDC转换器，输出电压由FB端分压电路决定，输出电流最高可达5 A，可满足系统要求，同时XL6019效率达94%以上，损耗小，可进一步提高便携式XRF待机时间。转换电路设计原理如图5所示。

图5 24 V，1 A电路转换电路设计Fig.5 Conversion circuit of 24 V，1 A

4.2 5 V，2 A电路设计

输出电压为5 V，输出电流大于2 A，为满足系统要求，选用LM2596为PWM型buck器件，输出电流达3A，输出电压通断可控，LM2596转换效率较高，可满足系统要求。转换电路设计原理如图6所示。

图6 5 V，2 A电路转换电路设计Fig.6 Conversion circuit of 5 V，2 A

其它电路能量消耗较少，主要采用LDO进行设计，这里不做详细介绍。

5 分析与测试及电源EMC设计

便携式XRF，在进行采样分析时，瞬时工作电流较大，空间的电磁干扰比较严重，可能会影响采样精度，甚至可能导致系统工作时的一些误动作。为提高系统运行的可靠性，在进行系统设计时将控制信号线与主电路大电流信号线分别分开走线，充电线路选用屏蔽线缆，独立风扇风道，并在充电电路及电池外围采用隔离屏蔽，提高XRF的EMC性能。

便携式XRF选用由上海捷士电池制品有限公司定制的锂电池组（14.8 V，带保护板，100 Wh）。各电源电路均为冗余设计，设计为各模块最大可能功耗，模块实际功耗小于设计功耗，射线管等大功率模块，仅工作于采样时段，其余状态为静默状态，静默时功耗很小。

经测试，XRF的实际功耗约为5.6 W，工作时间约14 h。电池实际容量可通过测量到的充电电压和电流计算得到，约为110 Wh。长时间多次测量发现，电池容量变化很小。

6 结语

本文对便携式XRF电源系统进行了分析，并设计了便携式XRF智能充电电路和电平转换电路，实现了将XRF充电状态调整到最佳，避免了XRF设备电池介质和电极发生不均匀伤害，另一方面有效避免了电池容量损失，同时降低了整个XRF设备功率损耗，为保证便携式XRF的稳定工作，提高待机时间提供了一种新的解决方案。所设计电路经过实际检验测试，切实可行。

[1]黑大千，张焱.XRF技术的应用研究现状概述[J].科教文汇，2001（3）：96.

[2]彭佳悦，祖晨曦，李泓.锂电池基础科学问题（I）-化学储能电池理论能量密度的估算[J].储能科学与技术，2013，2（1）：55-57.

[3]林延畅.高灵敏度多元素现场荧光探测系统的研制[D].成都：成都理工大学，2006.

[4]徐健.动力电池充电器的设计与开发[D].天津：天津大学，2008.