便携式多功能电源设计及其在调试中的应用研究

梁基广

（汕尾供电局，广东汕尾，516600）

0 引言

发电厂、变电站、配电网测试及电建工地现场常常需要进行各种安装调试或测试，此过程中需要稳定可靠、电能质量高的各种交直流电源。由于突然的电力中断，现场也没有可供电电源，将会直接导致重要通信装置无法传达信息、夜间紧急任务无法执行、重要设施无法操作等不良后果。另一方面，现场作业情况复杂多变，工作现场就地采接电源极不方便且存在安全隐患，在某些场合甚至没有市电，无法进行调试工作，严重影响了运行维护工作、设备在线率、甚至影响到了正常供电。基于此本研发了一种效率高、耗能少、可靠性强的一种便携式多功能调试专用电源，可作为检修试验电源、紧急电源、不间断电源等一系列电源使用，解决了目前缺乏可持续性电源供电的问题，增强了实用性。

1 便携式多功能电源应用前景及设计要点

1.1 应用前景

便携式多功能调试专用电源具备轻量化、薄型化、小型化、集成度高、长时间持续运行的特点，运行安全性高，经济效率高。便携式多功能调试专用电源利用计算机对试验电源进行设计仿真和控制，使设计的试验电源具有完美的电路结构和更完善的工作状态，而且智能化程度更高，状态显示更加灵活多样，大大提升了工作现场的工作效率，保证供电的可靠性。

1.2 技术关键点及创新点

（1）整体电路采用微电脑控制，采用可同步整流的主控IC，内部电路通过PI算法控制回路输出稳定的电压和电流，支持多方式输出，满足运维人员现场调试对电源的要求。

（2）随着电源的放置和使用，装置内部自动跟踪并刷新自身的状态信息，电源状态信息可视化，便于运维人员直观了解电源状态，进行高效率智能化运维。

（3）此装置体积小，重量轻，容量大，电源配备PCM以保证安全并防止损坏电源功能，内部集成了过温保护、过充保护和过放保护、输出短路保护等几乎所有安全保护功能，方便携带、灵活运用于各种场合，确保运维现场调试的安全性和可靠性。

2 便携式多功能电源设计的技术原理

装置由输入、输出整流滤波电路、ZVZCS-PWM 变换电路、高频变压器、反馈控制回路、辅助电源电路和各种保护电路等组成。

输入的交流市电经EMI滤波器整流滤波得到脉动的直流电，然后经过ZVZCS-PWM 变换电路最后再整流滤波得到所要求的脉动直流电压、电流。闭环控制回路主要是由采样电路把采集到的电压电流信号送入DSP主控制器中，且与基准值相比较，依据比较结果采用PI算法调节PWM信号输出，进而来控制功率开关管IGBT的开关，以此来达到输出稳定电压电流的目的；另一方面，依据故障保护电路获得的检测信号，再由DSP采取相应动作对试验电源进行保护。而辅助电源主要给IGBT驱动模块、DSP控制模块等供电。

3 便携式多功能电源具体设计分析

3.1 整体方案

多功能便携式充电电源系统的硬件设计，包括操作板、主控板以及逆变器板3部分。其中，主控板控制电源的整体充放电电路，操作板显示具体电量及其输出信息，逆变器板实现 12V直流电和22V交流电的有效转换。主控板通过CONN1B 与操作板相连接，借助墨水屏能显示电池的具体电量。触控开关可以针对性选择电压输出端口。COON2与DC-AC逆变器相连接，逆变电路运用单极 SPWM 调制方式，运用电压电流双闭环反馈控制。CONN3 与蓄电池相连接，本次设计研究中运用了12V/14 A的酸铅电池。充电电源主控板系统框图如图1所示。

图1 充电电源主控板系统框图

3.2 充放电电路设计

该电源系统充电情况下，可以与12V直流电源外接为蓄电池充电。与220V电源外接时，经AC-DC外置模块，成功转换为12V直流输入。充电过程中，经 SMT32F101单片机有效控制，分立PWM控制器与MOS-FET相配合，有效满足充电控制的同时，更好地实现处理错误、测电池以及定时控制等多项功能。充电过程中运用单片机控制，以电池具体的充电曲线进行电压检测，并选择针对性的充电方式。实际充电中，以电池的电压状态为依据，充电方式可分为慢充、快充、涓流预充以及自动终止充4种。11.5V以内电压下快充时，借助横流充电；13.5V电压下慢充时，借助恒压充电。

该电源系统放电能满足12V/5V直流和220V交流的输出。点击面板按键能有效控制开关输出电压，且绿色LED能充分显示目前的输出状态。12V输出可通过单片机有效控制MOS管，决定开端输出回路。在完成电流采样后加以反馈，输出电流较阈值明显较大时，切断单片机的输出回路，有效保护电路。5V直流输出能调节DC/DC开关稳压芯片，保证稳定的电压输出值。将12V直流逆变运用于220V交流输出，这种逆变电路可运用全桥架构式主电路，经 SPWM控制产生正弦交流电，有效提升系统效率和电压输出波形的质量。11V以内的电池电压下，系统会关闭全部输出自动化，停止对外部供电。

该充电电源充放电的控制管理中，可以运用PWM脉宽调频，选择STM32单片机，利用不同信号所占据占空比的差异化控制调频信号。通过控制开关管，可实现对充电电流的有效控制。通过运用STM32内的FTM模块，可有效控制PWM的输出模式，最终获得同样的输出模式。实际充电中运行的电流值在放大后与单片机的ADC端口相连接。单片机在准确读取电流值后，能设定较实际的充电电流。若实际运行的电流值较小，可以通过PWM占空比进行适当调整，有效增加充电电流。

3.3 保护方案设计

为有效提升多功能便携式充电电源的适用性、安全性、自动性以及可靠性，本次设计的电源装置在故障保护等方面采取丰富措施，形成了十分完善的保护控制系统。保护电路的系统原理如图2所示。控制单元的保护作用实是保护、控制以及显示电源，因此在设计电源保护控制单元的过程中，需要采取过压、欠压以及缺相等保护措施，同时包括直流输出的过流保护、过压保护、过温保护以及轻载保护，能够控制电源的启动和停止、转换工作模式以及进行复位等。显示功能可以充分显示不同的故障状态，以便提示操作人员及时进行操作，为检修调试提供了便捷。

图2 保护方案设计原理图

3.4 电源手机控制模块设计

多功能便携式充电电源时，手机间实现了蓝牙的无线通信，即经蓝牙开关有效控制电路开关，并实时显示电池状态。运用 UART 串口连接单片机和蓝牙模块，CC2540芯片的蓝牙模块能支持4.0标准，AT指令可有效连接单片机和蓝牙模块。在具体的通信过程中，将手机作为主要设备，蓝牙作为辅助设备，采用字符串方式实现信息的有效传输。

4 结论

随着现代化信息社会的飞速发展，多类便携式设备被普遍应用于人们的日常生活和工作中，如MP4、笔记本电脑、I Pad、手机以及小型电子游戏等。人们日常外出工作或游玩遇到电量不足且身旁又无充电电源时，会影响人们的工作与游玩。为有效解决这一问题，提出一种多功能便携式充电电源的设计思路，设计功率较大且重量轻的便携式多功能充电电源。该多功能便携式充电电源可以实现220V交流电和12V直流电的一体化，能够支持220V、12V以及5V的直流输出。