一种开关线性复合电源及控制策略

熊刚,王伟平

（福建星云电子股份有限公司，福建福州，350000）

0 引言

在对新能源锂电池保护板及成品电池电气性能测试中，较多测试项目需要使用程控源表(SMU)，如：功耗测量、过程中电气指标测量对比、充电过压保护、充电过流保护及信号模拟触发。在nA 级功耗测量、uV、uA 级电气指标对比测试项目中，需要低纹波的电源。在保护测试过程中需要捕捉到uS 级保护的时间参数，则需要更快响应的电源。当前程控电源功率变换多数使用纯开关电源或纯线性电源拓扑。

开关电源是一种常用电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，从而稳定输出的一种电源。其具有效率高，纹波毛刺大、精度差、上升沿较慢等特性，故不适合用于锂电池测试领域中精密的应用场合，如保护板待机nA 级的功耗测量。

线性电源是将功率器件工作在线性状态，相当是通过改变功率器件的阻值实现稳定输出,同时将多余能量全部消耗掉。故没有开关噪声，具有低纹波、高稳定和搞突变能力强等特性，适合测量精密信号及测量保护时间。但线性电源具有较多缺点，如：体积大、能耗高、热可靠性差、断载时输出电压超调至输入电压等缺点。

如何在锂电池测试领域设计完美的程控电源源表（SMU）一直是一个大挑战，本文中使用开关线性复合技术并加以专业数字信号控制器实现功率自动控制实现一种低纹波、高效率、高可靠性、高响应锂电池测试用开关线性复合程控电源源表。

1 主电路拓扑及原理

本文所研究的程控电源输入电压为12V，最大输出电压为10V，最大输出电流5A，具有恒流恒压输出功能。主要用于笔记本、手机锂电池测试。系统框图如下。

图1 系统框图

由于需求属于低压非隔离降压的场合，故前级开关电源选用Buck 拓扑，单片机通过调整Buck的输出电压，从而控制后级线性功率、提升整体效率，保护后级电路不会过热从而提高整体稳定性。后级线性电源采用线性拓扑，实现低纹波、高响应、低噪声、高精度的输出。

1.1 系统硬件设计

前级开关电源采用同步整流Buck 电路，实现可靠高效的功率变换。Vin 输入为12V，Vbus 输出范围为0.5V-10V。

后级的线性电路采用单个MOS 做为功率调节器件。

线性电路使用电压、电流双环控制，可实现恒压输出、恒流输出。设置值由单片控制DAC 输出。

控制系统的单片机采用的Microchip 高性能DSC 芯片dsPIC30F2020，是一款专业的开关电源数字信号控制器。其ADC 外设具有12 路输入通道和2MS/s的采集率；其专业电源PWM 外设，支持1.1ns 点空比分辨率和7 种工作模式；还支持UART 等多种外设。

图2 Buck 电源电路

图4 线性恒压、恒流环

图5 控制芯片

dsPIC30F2020 实现Buck 开关电源控制、实现线性电源控制、实现模拟量采集（输入电压Vin、母线电压Vbus、输出电压Vout、母线电流Ibus ）、DAC 输出、外部高精度ADC 采集及相关保护及通信。

具有串中UART 通信接口（RF7、RF8），用于与上位机通信，上位机可通过串口设置开关电源的最高的输出电压（Vbus_set）。

单片机内部ADC 采集母线电压Vbus、输出电压Vout 及母线电流Ibus，用于进行相关buck 控制，及线性功率自动调整控制。单片机外部ADC 采集高精度模拟量，用于锂电池测试。

1.2 系统软件设计

dsPIC30F2020 具有控制逻辑控制Buck 电路输出Vbus_set 电压到母线。

图6 控制环路

根据上位机设置的Vbus，dsPIC30F2020 在复合电源输出时控制Vbus 电压输出在对应水平。如：测试2 串电池时，上位机设置Vbus_set 为10V，dsPIC30F2020 自动控制Buck输出在10V；在测试1 串电池时，上位机设置Vbus_set 为5V，dsPIC30F2020 自动控制Buck 输出在5V。

dsPIC30F2020 实时不断采集多个模拟量，并计算线性电源部分的压差Vdrop=Vbus-Vout，计算线性电源部分的功率损耗Ploss=Vdrop *Ibus，根据Ploss实时调整Buck 电源输出。

2 测试结果与分析

2.1 上升沿性能

复合电源空载时，Vbus 电压固定在Vbus_set，使用上位机软件加载输出，观测开关线性复合电源输出的上升沿（10%-90%）时间 为760us,与线性电源基本一至。

图7 调整流程图

图8 复合电源上升沿

2.2 纹波对比

使用示波器交流档观测Vbus 侧与Vout 侧电源纹波。电源纹波减少44mV，减少80%。

实际观测Vbus 侧开关电源纹波55mV。

实际观测Vout 侧电源纹波11mV。

图10 开关线性复合电源纹波

2.3 效率对比

在被测电池5V3A的情况下，输入电源从6V 变化到12V过程，记录复合电源与普通线性电源整体效率，及开关电源效率，可以看到效率较同规格线性电源得到大幅提升，如12V输入情况下，复合电源的效率较独立的线性电源提升28%。

图11 复合电源上升沿

2.4 关断冲击

在测试单串电池时，Vbus 可设置为5.5V，可有效降低冲击幅度。输出4V3A的情况下，记录复合电源与普通线性电源断载后的输出电压曲线，复合电源的电压上冲较独立的线性电源降低68.4%。

线性电源（输入12V），电压冲击为3.92V。

复合电源（Vbus 为5.5V），电压冲击为1.24V。

3 结束语

本文介绍了采用开关线性复合技术及单片机控制策略实现一种低纹波、高可靠性的线性电源，方案可行，较传统开关电源相比，EMI、输出纹波于线性一致；较传统的线性电源相比，具有更高的效率、更高的可靠性，期防过冲有明显的提升。后续还将继续研究本电源，提升性能。