一种用于某电台的车载多功能电源设计

柯乐乐，吴 林，宋金华，俱强伟

（同方电子科技有限公司，江西 九江 332002）

0 引 言

某车载电源是为车载电台及其车载电子设备供应电力能源的设备，首先，其能够适应野外作业的要求，即适应电池（可放电又可充电）、交/直流发电机发电、光伏发电、电网供电等不同输入源供电。其次，还要求不同输入源供电能够智能切换，避免繁琐的人工判断与按键。最后，要求输入源切换期间不引起车载某电台工作异常，确保切换期间纹波小，抗电磁干扰强，供电稳定，状态指示正确[1]。

根据某车载电源的性能要求，本文设计了一种某电台的车载多功能电源，其具有双电池充放电功能，交/直流输入功能，以及完成工作状态的智能切换与状态指示功能，还具有纹波小、抗电磁干扰强、供电稳定、功耗低等优点[2]。

1 设计原理

图1 为某车载电源的原理框图。电源内部结构含有交/直流输入滤波电路，AC/DC 模块电路，DC1/DC1 模块电路，DC2/DC2 模块电路，微机及其采样、控制与指示电路[3]。

图1 某车载电源原理

2 车载电源设计

2.1 车载电源软件设计

某车载电源程序流程如图2 所示。

图2 某车载电源程序流程

2.2 车载电源设计要求

输入交流电压范围：AC 176 ～264 V。

输入交流频率：（50±3）Hz。

输入直流电压范围：DC 10 ～40 V。

输出到电台电压：DC 24 V。

输出到计算机电压：DC 19 V。

输出到电池最高充电电压：（29.2±0.1）V。

电池输出：24 V（电池电压）/20 A。

双电池充电模式：先恒流后恒压充电，充满后自动断电。

电池充电电流：交流输入时最大充电电流为40 A；直流输入时最大充电电流为13 A。

2.3 车载电源硬件电路设计

2.3.1 AC/DC 模块电路设计

AC/DC 模块自带PFC 电路与DC/DC 变换电路，组成如图3 所示。

图3 AC/DC 模块电路

连接器XS1 为交流220 V 输入，R1=20 Ω 为限制浪涌电流电阻，升压电压电解电容C2=C3=C4=C5=470 μF/450 V，R15、R16悬空不使用，输出滤波电解电容C8=C9=C10=1 500 μF/50 V（依据：输出纹波电压取决于电容的阻抗Zc=ΔV/ΔI，ΔV为纹波电压，ΔI=2*Imax*η，Imax为输出最大电流，容值C=ΔI*Ton/ΔV，Ton为导通时间），D13 为模块的开关机信号，当D13 为高电平时拉低三极管V5，三极管V2悬空，模块不工作；当D13 低电平时三极管V5 悬空，三极管V2 拉低，模块工作，Ki 受恒流控制电路输出控制，输出调压维持恒流充电功能（调压公式：Rup=26 550*Vo（/Vo-28）Ω；Rdown=2 000*Vo/（28-Vo）Ω），三极管V4 对恒流控制信号Ki起辅助作用，确保电池充电恒流有效，电池不充电恒流作用失效，以对电台、电脑等车载电子设备供电[4-6]。

2.3.2 DC1/DC1 模块电路设计

DC1/DC1 模块电路针对直流输入DC/DC 变换如图4 所示。连接器XS3 连接直流输入9 ～40 V，经过C11、L3、C12、C13滤波（电感值依据公式：L=（Vinmax-Vout）*Vout/（ΔI*Vinmax*f），f为电源模块开关频率）。稳压管V23，三极管V24，电阻R4、R5及C14组成输入过压保护电路，电阻R6、R12（图8 中）为输出调压电阻（调压公式：Rup=(ɜ*Vset/100)kΩ，ɜ=(|Vo-Vset|/Vset)*100，Rdown=253.44*(100-ɜ)/(40.68*ɜ+0.24)*100 kΩ)，Vset为调压电阻悬空输出电压，Vo为调整后的电压。电容C15、C16为输出滤波电解电容[7]。

图4 DC1/DC1 模块电路

2.3.3 DC2/DC2 模块电路设计

DC2/DC2 模块电路的输入来自AC/DC 模块的输出，其输出到车载笔记本电脑，如图5 所示。电感L1、电容C1与C2组成输入滤波电路，电阻R4为模块负逻辑开机控制。电阻R4为调压电阻（调压公式：Rup=(5.11*Vset*(100+ɜ)/1.24*ɜ-511/ɜ-10.22 kΩ，ɜ=(|Vo-Vset|/Vset)*100，Rdown=511/ɜ-10.22 kΩ)，Vset为调压电阻悬空输出电压，Vo为调整后的电压。电感L2，电容C4、C5、C6与C7组成输出滤波电路。

图5 AC/DC 模块电路

2.3.4 微机端口地址分配

微机端口地址分配电路如图6 所示。

图6 微机端口地址分配电路

微机采用C8051F020 芯片，其引脚定义见表1 ～表3 所列，空余脚悬空。

表1 采样与开关连接引脚

表2 控制连接引脚

2.3.5 双电池充电电流采样与控制电路设计

如图7 所示，N7B 为运放，其输出受输入信号A3A、微机控制信号D10 和D11 控制，其输入输出关系见表4 所列。电路工作原理：在恒流模式1 下，D10 和D11 为低电平，仅有输入信号A3A（充电总电流检测，高电平为电池充电，低电平为车载设备供电），此时运放输出1.65 V 的Ki 信号到如图3 中的R9，控制三极管V3 导通，控制输出的电压达到恒流30 A。在恒流模式2 下，信号D10 高电平和D11 低电平，或者信号D10 低电平和D11 高电平，运放输出1.1 V，对应恒流24.44 A 充电。在恒流模式3 下，D10 和D11 高电平，运放输出0.825 V，对应恒流18.33 A 充电。此举实现了交流输入的三档恒流充电[8-11]。

表4 恒流充电控制信号关系

图7 交流输入的三档恒流电路

如图8 所示，N7A 为运放，其输出受输入信号A3A（即充电总电流检测）控制，其输入输出关系见表5 所列。电路工作原理：在恒流模式1 下，信号A3A 为低电平，直流输入不给电池充电，给车载某电台供电。在恒流模式2 下，信号A3A 为高电平，直流输入仅电池充电，不给车载某电台供电。此举实现了直流输入输出供电控制[12-15]。

表5 恒流充电控制信号关系

图8 直流输入的两档恒流电路

2.3.6 车载电源状态显示电路设计

微机控制信号D17、D18 和D19 为车载某电源工作状态指示控制信号，状态指示用绿灯表示，交流充电时“交流充电”指示灯闪烁，充满常亮。直流充电时“直流充电”指示灯闪烁，充满常亮。14.4 V 锂电充电时“锂电充电”指示灯闪烁，充满常亮。直流输出空开合上时“直流输出”指示灯亮。LED充电状态指示电路如图9 所示。

图9 LED 充电状态指示电路

2.3.7 输出电子开关电路设计

微机控制信号D20，28 VBB 输出控制，当D20 为低电平时，三极管V4 不导通，V3 由PMOS 在28 V 通过限流电阻R16控制其断开。当D20 为高电平时，三极管V4 导通，V3 由PMOS 在28 V 通过限流电阻R16被拉低从而控制V3的PMOS 导通，28 V 输出供电。输出电子开关控制电路如图10 所示。

图10 输出电子开关控制电路

3 仿真验证

3.1 交流充电三档电流控制电路仿真

图11 为交流输入三档恒流控制充电电路仿真图，其波形图如图12 所示。

图11 交流三档恒流充电仿真

图12 交流三档恒流充电仿真波形

3.2 直流充电两档电流控制电路仿真

图13 为直流输入两档恒流控制充电电路仿真图，其波形图如图14 所示。

图13 直流两档恒流充电仿真

图14 直流两档恒流充电波形

3.3 输出电子开关电路仿真

图15 为28 V 输出电子开关仿真电路图，其波形图如图16 所示，车载某多功能电源前后面板如图17 所示。

图15 输出电子开关仿真电路

图16 输出电子开关仿真波形

图17 车载某多功能电源前后面板

为验证车载某多功能电源各项性能，分别验证了电池充电与电池不充电两种状态，每种状态又对应交流输入与直流输入两种状态，因此车载某多功能电源共有4 种工作状态，即交流输入电池充电与电池不充电，直流输入电池充电与电池不充电。同时也测试了指示灯工作状态，验证了输入输出的过欠压与过电流保护功能[16-21]。

4 结 语

本文围绕车载某多功能电源的工作原理，首先根据车载电源的工作状态与保护电路控制设计其程序流程，确保车载电源工作稳定可靠。然后根据车载电源各功能设计了交直流输入的变换电路与控制硬件电路，即交流输入的AC/DC 电路到电台/电池，DC2/DC2 变换电路到笔记本电脑。直流输入的DC1/DC1 电路到电台/电池，共用DC2/DC2 变换电路到笔记本电脑。最后还对车载某多功能电源的电池三档与两档的恒流控制硬件电路、输出电子开关电路进行Saber 软件仿真，通过设定控制信号的高低电平观察波形，验证了电路的理论可行性，并对车载电源加电，验证了其能够稳定、高效工作。