CN105720646B - 一种用于通信基站后备用电源的充电限流电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于通信基站后备用电源的充电限流电路，包括LDO电源、第一隔离光耦、第二隔离光耦、MCU、电流检测运放模块、脉宽调制模块、双路驱动器、两路MOS开关模块、蓄流二极管、扼流电感和储能电容；电流检测运放模块的电源端连接至LDO电源的输出端，MCU的电源端连接至LDO电源的输出端，MCU的第一输入端连接至第二隔离光耦的输出端，MCU的第二输入端连接至电流检测运放模块的第一输出端；脉宽调制模块的输入端连接至MCU的输出端，双路驱动器的输入端连接至脉宽调制模块的输出端；两路MOS管开关模块的第一输入端连接至电流检测运放模块的第二输出端，扼流电感的输入端连接至两路MOS管开关模块的输出端，扼流电感的输出端作为充电限流电路的输出。
Description
技术领域
本发明属于电源技术领域，更具体地，涉及一种用于通信基站后备用电源的充电限流电路。
背景技术
在通信基站锂电后备用电源控制系统中逻辑控制的硬件结构如图1所示，主要由48V.AC/DC电源转换模块、锂电池组、锂电控制器、限流充电电路、线束组成。其中充放电控制在锂电控制系统中对电池保护起到关键性作用。
电池组充电方式按照连续在线浮充方式，即恒流-恒压充电，电池组并联在电源系统的直流输出端，充电电路根据各电池的电压进行充电控制，控制电池和电池组的充电电压满足充电限制电压要求，直到所有电池都充满电。如图2所示。
充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降，不可能自动按恒流或恒压充电。充电过程中影响充电的因素很多，诸如电解液的浓度、极板活性物的浓度、环境温度等的不同，都会使充电产生很大的差异。随着放电状态、使用和保存期的不同，即使是相同型号、相同容量的同类蓄电池的充电也大不一样。1972年，美国科学家马斯提出了著名的马斯三定律，马斯三定律是以蓄电池的最低析气率为前提，提出电池能够接受的最大充电电流，而得出的电池充电的三大规律。
(1)对于任何给定的放电电流，蓄电池充电时的电流接受比a与电池放出的容量的平方根成反比，即a＝K1/C……(1)式中：K1为放电电流常数，视放电电流的大小而定，C为蓄电池放出的容量。由于蓄电池的初始接受电流Io＝aC，所以Io＝aC＝K1……(2)。
(2)对于任何给定的放电量，蓄电池充电电流接受比a与放电电流Id的对数成正比，即a＝K2logkId……(3)；式中：K2为放电量常数，视放电量的多少而定，k为计算常数。
(3)蓄电池在以不同的放电率放电后，其最终的允许充电电流It(接受能力)是各个放电率下的允许充电电流的总和，即：It＝I1+I2+I3+I4+In……(4)式中：I1、I2、I3、I4……In为各个放电率下的允许充电电流。
综合马斯三定律可以推出，蓄电池的总电流接受比可表示为α＝It/Ct……(5)；式中：Ct＝C1+C2+C3+C4+……为各次放电量的总和，即蓄电池放出的全部电量。
马斯第一定律表明随放电深度不同，其充电接受能力和放电深度成正比(可以等价于瓦格的质量作用定律)；第二定律表明放出电量相等的条件下，其充电接受能力和放电率成正比；为减小在充电过程中充电电流随时间呈指数规律下降，设计了一种使用MCU产生PWM波形驱动控制开关MOS充电限流电路。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于通信基站后备用电源的充电限流电路，旨在解决现有技术中因充电机充电电流过大而触发电池管理系统的限流保护关断充电的问题。
本发明提供了一种用于通信基站后备用电源的充电限流电路，包括LDO电源、第一隔离光耦、第二隔离光耦、MCU、电流检测运放模块、脉宽调制模块、双路驱动器、两路MOS开关模块、蓄流二极管、扼流电感和储能电容；所述第一隔离光耦的输入端用于接收外部的使能信号EN，所述LDO电源的电源端连接电池的输出端，所述LDO电源的输入端连接至所述第一隔离光耦的输出端；所述第二隔离光耦的输入端用于接收外部的基准频率信号F；所述电流检测运放模块的电源端连接至所述LDO电源的输出端，所述MCU的电源端连接至所述LDO电源的输出端，所述MCU的第一输入端连接至所述第二隔离光耦的输出端，所述MCU的第二输入端连接至所述电流检测运放模块的第一输出端；所述脉宽调制模块的输入端连接至所述MCU的输出端，所述双路驱动器的输入端连接至所述脉宽调制模块的输出端；所述两路MOS管开关模块的第一输入端连接至所述电流检测运放模块的第二输出端，所述两路MOS管开关模块的第二输入端和第三输入端分别连接至所述双路驱动器的第一输出端和第二输出端；所述蓄流二极管的输入端连接至所述两路MOS管开关模块的输出端，所述蓄流二极管的输出端连接至电池正极；所述扼流电感的输入端连接至所述两路MOS管开关模块的输出端，所述扼流电感的输出端作为所述充电限流电路的输出；所述储能电容的输入端连接至所述电池的正极，所述储能电容的输出端连接至所述扼流电感的输出端。
更进一步地，所述电流检测运放模块包括电阻R2、电阻R3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9和运算放大器U1；所述电阻R2和所述电阻R3并联后，一端作为所述电流检测运放模块的输入端，另一端依次通过串联连接的电阻R5和电阻R6连接至所述运算放大器U1的正相输入端，所述运算放大器U1的反相输入端通过电阻R7接地，所述电阻R9的一端连接至所述运算放大器U1的输出端，所述电阻R9的另一端作为所述电流检测运放模块的输出端，所述电阻R8的一端连接至所述运算放大器U1的反相输入端，所述电阻R8的另一端连接至所述运算放大器U1的输出端。
更进一步地，所述电阻R2和所述电阻R3为合金电阻。
更进一步地，所述扼流电感为以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，在平衡线路中能有效地抑制共模信号，而对线路正常传输的差模信号无影响。
更进一步地，所述MCU为Freescale系列的MMC9S08PA16芯片。
本发明具有如下优点：(1)能避免充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降，可以自动按照所设定的恒定电流值进行充电，限定电流可调，电流采用精度高、能实现低功耗工作模式。(2)电池组与MCU控制电路使用了隔离保护方法，减少了电池在充放电过程中对控制电路的干扰，使得工作电源和输出控制信号比较稳定。(3)在限流控制原理中引入了开关电源控制方法，通过闭环检测电流大小来改变PWM波形的占空比和频率信号控制MOS通断，使用蓄流二极管、扼流电感和储能电容来达到输出电流的稳定，大大提高了系统可靠性。
附图说明
图1是现有技术中通信基站锂电后备用电源控制系统中逻辑控制的硬件结构示意图；
图2是现有技术中恒流-恒压充电方式示意图；
图3中(a)为Ugs输出电平的波形示意图，(b)为通过MOS开关的电流值的波形示意图，(c)为通过扼流电感电流曲线的波形示意图，(d)为最终得到输出限流值的波形示意图；
图4为BMS开路静置示意图；
图5为本发明实施例提供的限流充电电路的原理框图；
图6为本发明实施例提供的限流充电电路的具体电路图；
图7为程序处理流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种可以用于闭环逻辑输出控制的可限定电流充电电路，其系统逻辑控制的硬件结构如图5所示，主要由外围控制信号、电流检测电路、LDO电源电路、驱动和隔离电路、MOS开关控制电路、扼流电感和电容储能电路；当电池管理系统电路输入EN使能信号和F基准频率信号给限流充电电路的MCU控制芯片工作，充电机打开，设定充电机输出电压大于电池总压，电流流过电流检测电路(合金电阻)，由欧姆定律U＝I*R可知在电阻两端产生一定压降，该电压经过运算放大电路(U1)放大后输出给MCU采集计算得到真实电流值，MCU内部会根据所设定的电流大小和采集的电流相比较，自动调节PWM占空比大小，得到的PWM输出频率与外围电路提供的F相等，如果采集的电流值大于设定限流值时，占空比会减小，相反占空比会增加，该PWM波形通过驱动芯片IR4427S增到电流驱动能力，直接驱动两路MOS开关电路，最后通过扼流电感和储能电容作用输出得到稳定的电流值。
外围控制信号：这是由电池管理系统的锂电保护板输出的使能信号(EN)，其目的是控制限流充电电路的充电工作和关断。输出的另外一路F频率信号，是由锂电保护板的MCU的IO管脚输出得到F＝50kHz、占空比为50％的频率信号，此信号为充电限流电路提供脉宽可调的PWM波形的基准频率。
在本发明实施例中，电流检测运放模块主要由R2、R3两个合金电阻通过电流产生一定压降，将电流转变成电压的变化，该电压在经过R5、R6、U1、R7、R8、R9组成的运放电路放大合金电阻上产生的电压信号。
在本发明实施例中，LDO电源电路主要是将外部输入的DC12-24V电源转变成DC5V电源，给限流充电电路的MCU和驱动芯片工作提供5V电源。
在本发明实施例中，驱动和隔离电路：由IR4427S芯片输入两路相同频率和占空比的PWM信号，输出得到电流驱动能力增强的不改变频率和占空比的PWM波，去驱动控制电流通断的MOS(U2)开关。两路型号为TLP185的隔离光耦是将外围输入的EN和f频率信号进行电路两级的电气隔离。
在本发明实施例中，MOS开关控制电路：是由两路型号为IRFB4410ZPbF的MOS(U2)并联组成，考虑单路MOS的导通能力和实际限定电流的最大值。
扼流电感和电容储能电路：扼流线圈是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，在平衡线路中能有效地抑制共模信号，而对线路正常传输的差模信号无影响。利用线圈电抗与频率成正比关系，可扼制高频交流电流，让低频和直流通过用于整流。电容把电压的变动转化为电流的变化，频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压。滤波就是充电，放电的过程
限定电流充电电路需要外围控制信号(电池管理系统输出的EN使能信号和F基准频率信号)才能有效工作，EN使能LDO电源电路输出DC5V供电电源，再分别给MCU电路和电流采集和信号反馈电路供电，直接影响限流充电电路的工作状态，限流充电电流值也是由其它外信号设置，具体由其它外接输入电路产生一定频率的PWM波形控制；通过双路驱动芯片输出增大电流驱动能力和驱动路数，当两路MOSFET在一定占空比的高电平导通情况下，电流流过合金电阻会产生一定压降，再经过运算放大器放大后的电压信号输入给MCU采集，MCU会对另外一路采集到的设定限流值和采集反馈得到的电流值进行比较，当限流值大于采集值时增大PWM高电平的占空比，提高MOS开关的导通时间，当限流值小于采集值时减小PWM高电平的占空比，缩短MOS开关的导通时间；为促使输出电流的恒流稳定，在开关导通时，通过电流对磁环电感、储能电容充电，MOS关断后再由电容、电感、蓄流二极管反方向放电，最终可实现输出限定电流充电功能。
在本发明实施例中，充电限流电路的工作开启是受外来输入信号所控制，在储能系统需要充电补充电能的时候，输入使能高电平信号进行充电，电池充电达到保护值时关断限流充电功能；充电限流电路的具体限流值也是外围电路提供，具体实现由MCU检测与设定限流值相对应的频率信号，这两路输入信号均需要通过隔离光耦进行电性隔离。
在本发明实施例中，MCU控制模块采用Freescale系列的MMC9S08PA16芯片，主要接受到外围所提供的固定限流值的PWM频率信号，对电流检测电路所反馈的信号进行采集，产生可变的PWM脉宽调制信号去控制MOS开关电路的导通。
在本发明实施例中，充放电电流检测是使用高精度的合金电阻来检测，在合金电阻两端流过不同方向和大小的电流，会产生相应不同大小和方向的电压值。因为使用的合金电阻阻值R较小，考虑额定电流为I，得到的最大输出电压U＝I*R也较小，考虑到MCU电压采集的准确度，需要对检测得到的合金电阻的两端电压进行运放电路的倍数放大，放大后的电平再经过MCU的AD采集IO口输入。最终借助外围参考电压和AD采集方式等，由程序算法得到实际通过合金电阻的电流值和方向性。
在本发明实施例中，该限流充电电路的工作电源来自于整个电池组，考虑到通信锂电系统中常用的DC48V磷酸铁锂电池组，还需要将电池电源通过LDO电源电路转换成实际需要的电压值，本电路中实际使用的SY8501FCC电源芯片来分压得到DC5V工作电压，额定输出电流达到1A，来对该限流充电电路供电；为考虑整个电路的低功耗模式，该LDO电源有外围输入信号使能控制其工作状态。
在本发明实施例中，在MCU输出脉宽调制PWM波型信号来控制MOS的打开和关闭，为考虑到MOS的电流导通能力和发热量情况，电路中使用了两路MOS开关电路，需要将MCU输出的PWM信号一分二的控制两路MOS，电路中使用的IR4427S芯片，它是两路独立输出驱动芯片，最大驱动电流可达20mA，得到两路MOS的Ugs开启电平。
在本发明实施例中，在MCU输出脉宽调制PWM波形控制作用下，两路型号为IRFB4410ZPbF的MOS会在高脉冲电平同时导通输出电流，在低电平时关断电流通过，具体波形见图3。
在本发明实施例中，当MCU输出PWM波形控制限流充电电路充电MOS做通断动作时，输出的电流成脉冲状况，扼流电感作为储能元件，与电容一起用在输入滤波和输出滤波电路上，用来平滑得到限定电流，在不同占空比的PWM波形的控制作用下，MOS通断输出脉冲式的电压，经过储能电容和扼流电感的共同作用下，得到相对平滑的输出电流。
在本发明实施例中，外围输入信号使能(高有效)控制限流充电电路工作，限流充电电路通过合金电阻来检测电流大小，发送给MCU采集处理，及时调整脉宽调制PWM波形的占空比，作为开关控制信号去调节MOS的切换时间。
电流检测及放大电路如图6所示，当使能限流充电电路充电，电流I通过两合金电阻R2和R3，电阻值均为0.01Ω，产生压降为V1，
R＝R2//R3＝0.005Ω……(6)
V1＝I*R＝0.005*I……(7)
运放U1的同相端输入该检测电压信号放大得到输出电压U0，
U0＝V1*Av＝0.005*I*30＝0.15*I……(8)
如果最大限定电流为10A，则MCU检测最大输出电压为U0＝0.15*10＝1.5V。
作为本发明的一个实施例，双路驱动器可以为型号为IR4427S的芯片；其中IR4427S是一款两路输入输出的低电压、高速度功率MOSFET驱动芯片，驱动电流可达到20mA，它在MCU输出的同一路脉宽调制PWM波输入信号下，输出两路频率相等，幅度相同的PWM波形去控制MOSFET，当输出信号的高电平大于IRFB4410ZPbF的Ugs开启电压时，MOS导通通过充电电流。
在本发明实施例中，电路中使用的型号为IRFB4410ZPbF MOS管作为控制电流通过的开关，为开启IRFB4410ZPbF的栅源电压，Ugs＝(2～4V)，所以PWM波形频率控制信号电压为2.5V～3.3V，EN控制信号电压也为2.5V～3.3V，通过改变PWM波形的占空比大小来调节MOS管的导通和关断时间。
根据开关电源工作原理，假设输入电压为Ui，输出电压为Uo，在MCU输出一定占空比的PWM波形作用下，高电平持续时间为t1，低电平持续时间为t2，周期一致为T，当开关MOS(IRFB4410ZPbF)在高电平导通状态时，通过的电流一边对磁环电感和电容充电储能，一边对负载输出电流；接着低电平切断状态时，通过电容、磁环电感、蓄流二极管的反向放电，蓄流二极管管压降为U1，由V*S公式得知：
(Ui-Uo)*t1＝(Uo-U1)*t2.t1＝1/T-t2……(9)U1可忽略不计；
大多数情况下，电感工作在"线性区"，此时电感值为一常数，不随着端电压与电流而变化。但是，此处电感的绕线将导致两个分布参数(或寄生参数)，一个是不可避免的绕线电阻，另一个是与绕制工艺、材料有关的分布式杂散电容。杂散电容在低频时影响不大，但随频率的提高而渐显出来，当频率高到某个值以上时，电感也许变成电容特性了。如果将杂散电容"集中"为一个电容，则从电感的等效电路可以看出在某一频率后所呈现的电容特性。
当电感L中有电流I流过时，电感储存的能量为：E＝0.5×L×I2……(10)；在一个开关周期中，电感电流的变化(纹波电流峰峰值)与电感两端电压的关系为：V＝(L×di)/dt……(11)；由此可看出，纹波电流的大小跟电感值有关。
就像电容有充、放电电流一样，电感器也有充、放电电压过程。电容上的电压与电流的积分成正比，电感上的电流与电压的积分成正比。只要电感电压变化，电流变化率di/dt也将变化；正向电压使电流线性上升，反向电压使电流线性下降。
纹波电流的大小同样会影响电感器和输出电容的尺寸，纹波电流一般设定为最大输出电流的10％～30％，因此对降压型电源来说，流过电感的电流峰值比电源输出电流大5％～15％.，输入电压：40～60V，输出电压：40～60V，输出电流为0～15A，频率控制信号：50KHz。
如图7程序流程图所示，系统程序在运行过程中，先初始化使能控制EN信号和配置IO管脚的PWM波形输出，程序执行其他电压、温度等的采集，当需要做放电工作方式时，EN信号拉低，限流充电电路停止工作，锂电控制板的放电MOS打开，实现可保护电流的放电功能；当系统做充电工作方式时，EN信号拉高，限流充电电路任务函数调用，开启充电工作，锂电板放电MOS打开，程序根据初始设置的电流值I1，产生占空比为50％的PWM波形，开启充电MOS，通过合金电阻检测电流的大小值I2，计算两者的差值：△I＝I1-I2，然后判别△I所属区间，当△I<＝0.1A，促使PWM波形占空比增加，当△I>0.1A，△I<3A时，占空比递减，如果程序中检测到过充、过温、等异常情况下，关闭限流充电电路充电功能，延时检测满足充电条件时再开启限流充电。
本发明具有如下优点：(1)能避免充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降，可以自动按照所设定的恒定电流值进行充电，限定电流可调，电流采用精度高、能实现低功耗工作模式。(2)电池组与MCU控制电路使用了隔离保护方法，减少了电池在充放电过程中对控制电路的干扰，使得工作电源和输出控制信号比较稳定。(3)在限流控制原理中引入了开关电源控制方法，通过闭环检测电流大小来改变PWM波形的占空比和频率信号控制MOS通断，使用蓄流二极管、扼流电感和储能电容来达到输出电流的稳定，大大提高了系统可靠性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于通信基站后备用电源的充电限流电路，其特征在于，包括LDO电源、第一隔离光耦、第二隔离光耦、MCU、电流检测运放模块、脉宽调制模块、双路驱动器、两路MOS开关模块、蓄流二极管、扼流电感和储能电容；
所述第一隔离光耦的输入端用于接收外部的使能信号EN，所述LDO电源的电源端连接电池的输出端，所述LDO电源的输入端连接至所述第一隔离光耦的输出端；所述第二隔离光耦的输入端用于接收外部的基准频率信号F；
所述电流检测运放模块的电源端连接至所述LDO电源的输出端，所述MCU的电源端连接至所述LDO电源的输出端，所述MCU的第一输入端连接至所述第二隔离光耦的输出端，所述MCU的第二输入端连接至所述电流检测运放模块的第一输出端；
所述脉宽调制模块的输入端连接至所述MCU的输出端，所述双路驱动器的输入端连接至所述脉宽调制模块的输出端；
所述两路MOS开关模块的第一输入端连接至所述电流检测运放模块的第二输出端，所述两路MOS开关模块的第二输入端和第三输入端分别连接至所述双路驱动器的第一输出端和第二输出端；
所述蓄流二极管的输入端连接至所述两路MOS开关模块的输出端，所述蓄流二极管的输出端连接至电池正极；
所述扼流电感的输入端连接至所述两路MOS开关模块的输出端，所述扼流电感的输出端作为所述充电限流电路的输出；
所述储能电容的输入端连接至所述电池的正极，所述储能电容的输出端连接至所述扼流电感的输出端。
2.如权利要求1所述的充电限流电路，其特征在于，所述电流检测运放模块包括电阻R2、电阻R3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9和运算放大器U1；
所述电阻R2和所述电阻R3并联后，一端作为所述电流检测运放模块的输入端，另一端依次通过串联连接的电阻R5和电阻R6连接至所述运算放大器U1的正相输入端，所述运算放大器U1的反相输入端通过电阻R7接地，所述电阻R9的一端连接至所述运算放大器U1的输出端，所述电阻R9的另一端作为所述电流检测运放模块的输出端，所述电阻R8的一端连接至所述运算放大器U1的反相输入端，所述电阻R8的另一端连接至所述运算放大器U1的输出端。
3.如权利要求2所述的充电限流电路，其特征在于，所述电阻R2和所述电阻R3为合金电阻。
4.如权利要求1-3任一项所述的充电限流电路，其特征在于，所述扼流电感为以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，在平衡线路中能有效地抑制共模信号，而对线路正常传输的差模信号无影响。
5.如权利要求1所述的充电限流电路，其特征在于，所述MCU为Freescale系列的MMC9S08PA16芯片。
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