便携式有载开关控制器电源箱

任剑

摘要：便携式电源作为可移动电子设备必须能源，其容量大小和能耗高低也越来受关注。本文将从实用和安全的角度出发，系统设计了一种便携式电源。经实验证明，符合实际使用要求，具有广阔的市场前景。

关键词：便携电源设计

现在，市场上可移动的电子设备越来越多，设备的电源容量和功耗却远远不能满足市场的要求，对日常生活，特别是户外活动造成诸多不便。为此，本文设计了一种高效、低功耗、安全的随身电源，以满足户外需求，将有很大的实用价值。该系统设计由五部分组成：锂芯容量指示电路、电芯保护电路、充电管理电路、DC-DC升压电路。锂芯容量指示电路由XC61CC系列的电压监控芯片组成。电芯保护电路由过充保护、过放保护、过温保护三部分组成，HAT2027、R5402、自恢复保险丝构建了三重保护，使锂芯安全性大大增强。充电管理电路采用了CN3066，将充电过程分为涓流充电、恒流充电、恒压充电和维护充电四个部分，使移动随身电源能够最大程度地储备能量。DC-DC升压电路采用了MAX1771集成芯片，可将锂芯容量在安全范围内最大限度释放，达到对多种数码设备供电的目的。

1电路工作原理

1.1锂芯保护电路电芯保护电路主要由R5402和HAT2027共同组成。除此之外，自恢复保险丝起到了最后一层保护的作用。

充电时，电池电压从低到高上升，当电池电压大于4.25V时，充电状态被锁存，引脚Cout就会从高电平跳为低电平，HAT2027内置二极管发挥单向导通作用。电流方向只能从1脚到3脚，充电电源无法继续给锂芯充电。如果充电电源继续加载在锂芯电池组两端，即使锂芯电压在4.25V以下，R5402具有的过充锁存状态也不会被释放。这样就保证了电池组在连续充电饱和之后，能锁存在过充状态，隔离充电电源对高能量电池组持续充电。只有当过充时，断开充电电源，过充锁存状态才会被释放，Cout重新变为高电平，HAT2027的1、3引脚此时双向导通，锂芯才能正常工作。放电时，电池电压下降，当小于2.3V时，放电状态被锁存，引脚Dout的输出从高电平跳为低电平，HAT2027内置二极管发挥单向导通作用。电流方向只能从3脚到1脚，锂芯电池组无法继续给负载放电。如果没有接上充电电源，即使锂芯电压高于过放电压的最大值，放电锁存状态也不会被释放，这就保证了电池组在经过长时间放电，电压下降到2.3V之后，能锁存在过放状态，隔离低能量电池组持续放电。只有当过放时，接上充电电源，锂芯电压开始高于过放电压时，过放锁存状态才会被释放，同时引脚Dout的电压重新变为高电平，HAT2027的1、3引脚双向导通，锂芯既能工作在放电状态，又能工作在充电状态。当锂芯短路时，Dout跳到低电平。此时，锂芯受HAT2027控制无法放电，起到保护锂芯作用。与此同时，自恢复保险丝由于短路的大电流，会受热膨胀，电路切断，起到最后一层保护的作用。当短路故障排除，白恢复保险丝恢复，R5402检电器释放，Dout重新恢复高电平。

1.2 DC-DC升压电路本系统中，DC-DC升压电路主要由MAX1771构成，该控制器采用独特的控制方案，结合PFM（脉冲频率调制）及PWM（脉冲宽度调制）的优越性，提供一个高效、较宽电压调节范围的电源。前者具有较小的静态电流，负载小的情况下效率较高，但纹波较大。后者在负载大的情况下具有较高的效率，噪声小。该控制器采用的是一种改进型的限流PFM控制方式，控制电路限制电感充电电流，使其不超过某一峰值电流。既保持了传统PFM的低静态电流，同时在较大负载的情况下，也具有很高的效率。而且由于限制了峰值电流，采用很小体积的外围元件就可获得满意的输出纹波，这样便于降低电路成本及尺寸。如图2所示，将4脚接地，可使其工作在闭环状态。芯片由引脚2上的电压供电，同时也是输出电压。输入电压可以进行从2V到输出电压的变化。外接MOS管栅极1脚上的电压，从输出电平到零电平跳变，这样可以提供更人的栅极驱动，从而减小外接MOS管的开启电阻。MAX1771外接MOS管平时是关闭的，此时电感储能。关闭期间，MAX1771会检测外部输入电压，一旦降低到了一定限度，MAX1771就会开启外部MOS管，电感释放能量，重新提供驱动电压。开关频率随负载电流和输入电压而定。5V电压通过两个反馈电阻分压得到。此外，续流二极管选用肖特基二极管SS34，该器件正向导通电压小，响应时间短。

1.3锂芯容量指示电路本系统电路设计采用了一种比较简单且实用的方法，即通过测试锂芯电池放电的时间电压特性曲线，选取整个放电过程的四个位点电压，用电压来估算电池的容量。当按下电压容量指示的功能按键，锂芯的电池电压会加到XC61系列芯片的VIN与VSS引脚上。当电压高丁4.1V，四个芯片同时工作，电池与限流电阻、LED发光管形成四个回路。此时四个发光管同时发亮，表示电池容量饱和。当电池电压在4.1V～3.8V之间，只有三个芯片工作，4102不工作，此时形成三个回路，三个发光管发亮，表示电池容量有所下降。同理可知其它的两种情况。

1.4充电管理电路充电管理电路由CN3066和继电器构成。当随身电源监测到有充电器对其充电时，继电器令CN3066开始工作，CN3066将整个充电管理过程分为四个部分，即预充电、恒流充电、恒压充电以及维护充电。

当CN3066开始工作时，CN3066会检测电池电压是否较低，如果是，则采用涓流充电，即一个比较小的恒定电流对电池进行充电，直至电池电压上升到一个安全值。之后，充电电流保持较大值不变，通常是涓流充电电流的10倍或更大。1000mAh的电池采用700mA电流充电，这可以避免大电流充电对锂芯的损坏。在恒流充电和涓流充电状态下，充电管理芯片连续监控电池的电压，当单节锂电池的电压达到4.2V，恒流充电状态结束，转入恒压充电状态。在该状态下，充电电压恒定在4.2V。当锂芯的电流下降为原来的1/10之后，恒压充电状态结束。在维护充电状态，电池充足电后，若移动电源仍插在充电器上，电池会由于自放电而损失电量。CN3066以非常小的电流对锂芯充电或监测电池电位，以备对锂芯再充电，这种状态称为维护充电状态。

在本电路中，CN3066会实时监测锂芯的电压、温度、充电电流和充电时间。一旦电池的温度达到60℃，或锂离子电池的电压达到4.2V，恒压充电状态自动终止。此外，还应设置最长恒压充电时间。在温度和电压检测失败的情况下，可以保证锂电池安全充电。当拔掉充电器，CN3066关闭，随身电源处于预放电状态。

实验结果证明，多功能随身电源能对市面上大多数手机连续充电5次以上，对MP3、MP4充电12次以上，表明随身电源在户外活动中有充足的能量储备。

2分布式电源对变压器保护的影响

变电站会为主变压器配置电气量和非电气量保护。差动保护是变压器的主保护，按循环电流原理，比較变压器两侧电流的矢量差来判定是否进行继电保护。非电气量保护判断的根据不是电量，因此不影响分布式电源的保护。主变压器会配置零序电压保护，在的母线上安装电压互感器可以为其提供是否进行保护动作的根据，双端式电源会对零序电压分布产生影响，因此主要分析了零序电压保护对主变压器的作用。

3结束语

根据继电保护现场试验及新设备调试要求，设计了一套安全可靠、灵活便携的继电保护试验电源装置，满足当前各种分散小型继电保护试验作业的需要。不仅能够作为设备的长时间供电电源，同时能够承受短时性瞬时负载，满足了开关分合闸时的动态特性要求。试验数据表明，该电源能够满足各项设计指标要求，为继电保护装置提供安全可靠的电能保证。本方案采用模块化设计，结构简洁，功能完善，便携方便，对于变电站小型试验电源应用场合具有良好的发展前景。

参考文献

[1]廖革文.电力系统直流操作电源的发展趋势[J].电工技术杂志，2003，20（5）：1-4.

[2]杨子靖，卢其威，王多伦，等.基于DSP数字控制电力操作电源的开发[J].电力电子技术，2010，44（7）：73-75.