CN109307843B - 一种电路实现的模拟电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电路实现的模拟电源，可以对外充放电以及模拟电源内阻；主要包括：输出电流恒流控制部分，恒压控制部分，灌入电流恒流控制部分，远端电压回采部分，环路电流回采部分，控制部分以及负载七部分，本发明的模拟电源能真实的模拟电池的电气特性，完美的替代BMS等测试中需要的电池或电源,弥补普通电池在BMS等测试中遇到的瓶颈和缺陷。

Description

一种电路实现的模拟电源
技术领域
本发明涉及模拟电源技术领域，尤其涉及一种电路实现的模拟电源。
背景技术
在BMS、电池充放电系统、航空航天等领域，经常需要用到各种电池、模拟电源来做充放电等测试，而当前的普通电池存在以下缺点：
1.普通电池的使用寿命短：比如一般锂电池大概在2-4年左右，并且循环充放电次数一般仅300-500次，而在BMS等应用中，需要频繁的充放电，在长时间的多次数的充放电后，其寿命难以满足BMS的测试要求。
2.普通电池安全系数低：在BMS等测试中，存在各种短路或反接等故障，会有起火爆炸等风险，严重威胁财产和研发测试人员人身安全。
3.普通电池灵活度不够，电压不可控，无法人为编程，无法适配各种测试电压场景，并且电池电压在不同电量时电压时刻在变化，且响应速度和驱动能力也不可控；
4.普通电池内阻由其制造工艺、化学特性决定，无法人为设定或改变其内阻，无法满足某些特定的测试场景。
发明内容
针对普通电池由于其化学特性、物理特性等一些特征属性，具有寿命短、安全系数低、灵活度不够等缺陷，无法满足BMS等高要求的测试场景，本发明提高的模拟电源正是为了解决以上行业痛点，通过一种电路实现模拟电源，来无缝替代普通电池或普通电源，完美的克服了普通电池安全性、使用寿命、灵活度等问题。
本发明提供了一种电路实现的模拟电源，它既能对外充电也可以放电，并且能模拟电源的内阻，内阻的大小还可以设置，能真实的模拟电池的电气特性，能完美的替代BMS等测试中需要的电池或电源,弥补普通电池在BMS等测试中遇到的瓶颈和缺陷。
本发明提供的一种电路实现的模拟电源，其特征在于：能够对外充电和向里放电，以及模拟电源内阻；主包括：输出电流恒流控制部分，恒压控制部分，灌入电流恒流控制部分，远端电压回采部分，环路电流回采部分，控制部分以及负载七部分组成。
进一步的，输出电流恒流控制部分由第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻和第一PMOS管组成；恒压控制部分由第三运算放大器、第一NMOS管和第二PMOS管组成；灌入电流恒流控制部分由第四运算放大器、第五运算放大器、第二NMOS管和第二电阻组成；远端电压回采部分由第六运算放大器和第一模数转换器组成；环路电流回采部分由第三电阻、第七运算放大器和第二模数转换器组成，控制部分通过接收回采电流和电压控制恒流和恒压控制端。
具体的，本发明模拟电源的具体电路连接关系为：第一电阻R1一端接母线电源+VBUS和第一运算放大器AMP1的一个输入端，第一电阻R1的另一端接第一PMOS管Q1的源极和第一预算放大器AMP1的另一个输入端端，第一运算放大器AMP1的输出端接第二运算放大器AMP2的一个输入端，第二运算放大器AMP2的另一个输入端接第一恒流控制端I_CTRL1，第二运算放大器AMP2的输出的接第一PMOS管Q1的栅极，第一PMOS管Q1的漏极接第一NMOS管Q2的漏极，第一NMOS管Q2的源极接第二PMOS管Q3的源极、负载LOAD正接线端以及第七运算放大器AMP7的一个输入端，第一NMOS管Q2的栅极接第二PMOS管Q3的栅极和第三运算放大器AMP3的输出端，第三运算放大器AMP3的两输入端分别接恒压控制端V_CTRL和第六运算放大器AMP6的输出端输出的回采电压V_MON，第二PMOS管Q3的漏极接第二NMOS管Q4的漏极，第二NMOS管Q4的栅极接第四运算放大器AMP4的输出端，第二NMOS管Q4的源极接第二电阻的一端和第五运算放大器APM5的一个输入端，第二电阻R2的另一端接第五运算放大器APM5的另一个输入端和地线，第四运算放大器AMP4的一个输入端接第二恒流控制端I_CTRL2，第四运算放大器AMP4的另一个输入端接第五运算放大器APM5的输出端，负载的负接线端接第三电阻R3的一端、第六运算放大器AMP6的一个输入端以及第七运算放大器AMP7的另一个输入端，第三电阻R3的另一端接地线和第六运算放大器AMP6的另一个输入端，第六运算放大器AMP6的输出端接第一模数转换器ADC1输入端，第七运算放大器AMP7的输出端接第二模数转换器ADC2输入端，第一模数转换器ADC1的输出端和第二模数转换器ADC2的输出端分别将回采的电压和电流信号传送给控制部分，控制部分根据回采的电压和电流信号控制第一恒流控制端I_CTRL1、第二恒流控制端I_CTRL2和电压控制端V_CTRL。
可选的，负载可以是电池、超级电容，或BMS中的至少一种。
进一步的，所述模拟电源中的控制部分根据远端电压回采部分和环路电流回采部分回采的电流和电压信号，精确控制输出电流恒流控制部分、恒压控制部分以及灌入电流恒流控制部分，控制负载两端的输出电压，实现对模拟电源内阻的模拟。
说明书附图
图1现有技术中采用双象限电源来模拟电池充放电特性的结构框图。
图2本发明提供的电路实现的模拟电源电路框图。
具体实施方式
在BMS等测试系统中，一般采用电池组来进行BMS测试，主要存在寿命短、安全性不够高及灵活度不够等问题。目前市面上有采用双象限电源来模拟电池充放电特性，其特点是电流可以双向流动，既可以向外输出电流也可以往里灌电流，基本原理图框图如图1所示，其中CTRL为编程控制电压，它为低则对外输出电流，为高则往里灌电流；+VBUS为母线电源，用于对外输出电流时供电；I_SOURCE为输出电流，I_SINK为灌电流；LOAD为电源的负载，可以是电池、超级电容，也可以是BMS。
本发明基本原理也是基于双象限电源充放电电路，将普通线性电源的恒压恒流电路与类似电子负载的放电电路结合在一起，通过上下臂两队功率管来实现对外充电和往里放电的功能，同时四线制精确采集外侧电压和电流，结合控制部分内的嵌入式的软件用算法来制造一个压降来模拟电池或电源内阻。
本发明模拟电源的具体电路实现如图2所示，其中AMP1-AMP7：为运放(运算放大器)，用于恒压恒流的控制以及电压电流采集的信号调理；
I_CTRL1、I_CTRL2、V_CTRL：恒压或恒流的编程电压，由控制部分(单片机)控制DAC输出；
Q1-Q4:输出功率调整管；
R1-R3:电流采样电阻。
I_SOURCE：对外输出电流的电流示意(如果把该电路当模拟电池来看，则相当于电池对外放电)；
I_SINK：往里灌入电流的电流示意(如果把该电路当模拟电池来看，则相当于电池在充电)；
本发明提供了一种电路实现的模拟电源，其特征在于：能够对外充电和向里放电，以及模拟电源内阻；主包括：输出电流恒流控制部分，恒压控制部分，灌入电流恒流控制部分，远端电压回采部分，环路电流回采部分，控制部分以及负载七部分组成。
其中，输出电流恒流控制部分由第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻和第一PMOS管组成；恒压控制部分由第三运算放大器、第一NMOS管和第二PMOS管组成；灌入电流恒流控制部分由第四运算放大器、第五运算放大器、第二NMOS管和第二电阻组成；远端电压回采部分由第六运算放大器和第一模数转换器组成；环路电流回采部分由第三电阻、第七运算放大器和第二模数转换器组成，控制部分通过接收回采电流和电压控制恒流和恒压控制端。
具体的，本发明模拟电源的具体电路连接关系为：第一电阻R1一端接母线电源+VBUS和第一运算放大器AMP1的一个输入端，第一电阻R1的另一端接第一PMOS管Q1的源极和第一预算放大器AMP1的另一个输入端端，第一运算放大器AMP1的输出端接第二运算放大器AMP2的一个输入端，第二运算放大器AMP2的另一个输入端接第一恒流控制端I_CTRL1，第二运算放大器AMP2的输出的接第一PMOS管Q1的栅极，第一PMOS管Q1的漏极接第一NMOS管Q2的漏极，第一NMOS管Q2的源极接第二PMOS管Q3的源极、负载LOAD正接线端以及第七运算放大器AMP7的一个输入端，第一NMOS管Q2的栅极接第二PMOS管Q3的栅极和第三运算放大器AMP3的输出端，第三运算放大器AMP3的两输入端分别接恒压控制端V_CTRL和第六运算放大器AMP6的输出端输出的回采电压V_MON，第二PMOS管Q3的漏极接第二NMOS管Q4的漏极，第二NMOS管Q4的栅极接第四运算放大器AMP4的输出端，第二NMOS管Q4的源极接第二电阻的一端和第五运算放大器APM5的一个输入端，第二电阻R2的另一端接第五运算放大器APM5的另一个输入端和地线，第四运算放大器AMP4的一个输入端接第二恒流控制端I_CTRL2，第四运算放大器AMP4的另一个输入端接第五运算放大器APM5的输出端，负载的负接线端接第三电阻R3的一端、第六运算放大器AMP6的一个输入端以及第七运算放大器AMP7的另一个输入端，第三电阻R3的另一端接地线和第六运算放大器AMP6的另一个输入端，第六运算放大器AMP6的输出端接第一模数转换器ADC1输入端，第七运算放大器AMP7的输出端接第二模数转换器ADC2输入端，第一模数转换器ADC1的输出端和第二模数转换器ADC2的输出端分别将回采的电压和电流信号传送给控制部分，控制部分根据回采的电压和电流信号控制第一恒流控制端I_CTRL1、第二恒流控制端I_CTRL2和电压控制端V_CTRL。
本发明的充放电、模拟内阻的实现，具体如下所述：
a.充放电的实现：
充放电电路由充电电路和放电电路组合在一起形成，图中上半部分(AMP1、AMP2、AMP3、R1、Q1、Q2)为对外输出电流的恒压恒流电路(I_SOURCE，电池放电)，下半部分(AMP3、AMP4、AMP5、R2、Q3、Q4)为往里灌入电流的恒压恒流电路(I_SINK，电池充电)。
图中AMP3和Q2、Q3构成了充放电的恒压控制电路，恒压编程电压V_CTRL和远端回采的V_MON(模拟电源的最终端电压)以及AMP3、Q2、Q3构成了闭环的反馈回路，V_CTRL和V_MON做比较放大，当远端电压比设定的电压小，则会控制Q2打开，此时对外输出电压电流，相当于电池对外放电，直到电压达到设定值。此时上半部分的R1也一直在实时采集对外放电的电流，并且和恒流环的编程电压I_CTRL1做比较，如果采到的电流大于了设定的限流值，误差放大器会输出一个电压来限制Q1管的导通程度，以实现限流。因此该电路可以实现短路限流保护，也就是当外端发生短路时，电路会把电流限制在一定值，不让其无限增加，保护机器及外部的BMS等不被烧坏，并且限流值可任意设置大小。
同样的当外侧电压比内侧电压高，经AMP3比较放大后，会驱动把Q2关闭把Q1打开，此时电流将往里面灌，实现模拟电池的充电过程，同样充电时电流也可以通过下半部分的AMP4、AMP5、I_CTRL2、R2、Q4一起来实现限流，保证充电电流能限制在一定值，不会因为电流过大而烧坏。
同时不管是充电还是放电，电压和电流都被精密的ADC实时被采集，AMP6和ADC1用于远端电压的采集，AMP7和ADC2用于整个回路的电流采集(双极性都可以采集)。
b.电池、电源内阻的模拟实现方法：
电池或者电源都是有内阻的，本发明电路也可以实现电池、电源内阻的模拟，其方法是基于该电路的高精密电压电流的采集，如图中AMP6、AMP7、为精密的运放，ADC1、ADC2为精密的模数转换器，AMP6和ADC1用于远端电压的采集，AMP7和ADC2用于整个回路的电流采集(双极性电流都可以采集)。由于能精确采集远端电压和回路电流，控制部分(单片机)嵌入式软件可以设置一个压降，如下面的公式：
Vout＝Vset-I*Rs，
式中Vout为最终端的电压，Vset为设定的标称电压，I为充放电回路电流，
比如我们设定的电压是Vset＝5V，假设要模拟电池的内阻为0.1Ω，此时回路的电流I＝1A(ADC2实时回采)，那么我们可以通过控制部分控制编程电压把最末端的电压调整为Vout＝4.9V，这样就实现了0.1欧内阻的模拟，相当于电池内部的内阻。
整个过程中，编程电压一直随着回路电流在实时调整，以模拟一个恒定的电池或电源的内阻。
虽然上面已经参考实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。因此，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种电路实现的模拟电源，其特征在于：能够对外充电和向里放电，以及模拟电源内阻；主要包括：输出电流恒流控制部分，恒压控制部分，灌入电流恒流控制部分，远端电压回采部分，环路电流回采部分，控制部分以及负载七部分；
输出电流恒流控制部分由第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻和第一PMOS管组成；恒压控制部分由第三运算放大器、第一NMOS管和第二PMOS管组成；灌入电流恒流控制部分由第四运算放大器、第五运算放大器、第二NMOS管和第二电阻组成；远端电压回采部分由第六运算放大器和第一模数转换器组成；环路电流回采部分由第三电阻、第七运算放大器和第二模数转换器组成，控制部分通过接收回采的电流和电压控制恒流控制端和恒压控制端；
第一电阻R1一端接母线电源+VBUS和第一运算放大器AMP1的一个输入端，第一电阻R1的另一端接第一PMOS管Q1的源极和第一运算放大器AMP1的另一个输入端，第一运算放大器AMP1的输出端接第二运算放大器AMP2的一个输入端，第二运算放大器AMP2的另一个输入端接第一恒流控制端I_CTRL1，第二运算放大器AMP2的输出的接第一PMOS管Q1的栅极，第一PMOS管Q1的漏极接第一NMOS管Q2的漏极，第一NMOS管Q2的源极接第二PMOS管Q3的源极、负载LOAD正接线端以及第七运算放大器AMP7的一个输入端，第一NMOS管Q2的栅极接第二PMOS管Q3的栅极和第三运算放大器AMP3的输出端，第三运算放大器AMP3的两输入端分别接恒压控制端V_CTRL和第六运算放大器AMP6的输出端输出的回采电压V_MON，第二PMOS管Q3的漏极接第二NMOS管Q4的漏极，第二NMOS管Q4的栅极接第四运算放大器AMP4的输出端，第二NMOS管Q4的源极接第二电阻的一端和第五运算放大器APM5的一个输入端，第二电阻R2的另一端接第五运算放大器APM5的另一个输入端和地线，第四运算放大器AMP4的一个输入端接第二恒流控制端I_CTRL2，第四运算放大器AMP4的另一个输入端接第五运算放大器APM5的输出端，负载的负接线端接第三电阻R3的一端、第六运算放大器AMP6的一个输入端以及第七运算放大器AMP7的另一个输入端，第三电阻R3的另一端接地线和第六运算放大器AMP6的另一个输入端，第六运算放大器AMP6的输出端接第一模数转换器ADC1输入端，第七运算放大器AMP7的输出端接第二模数转换器ADC2输入端，第一模数转换器ADC1的输出端和第二模数转换器ADC2的输出端分别将回采的电压和电流信号传送给控制部分，控制部分根据回采的电压和电流信号控制第一恒流控制端I_CTRL1、第二恒流控制端I_CTRL2和电压控制端V_CTRL；
所述电压控制端V_CTRL的恒压编程电压和所述回采电压做比较放大，当所述回采电压比恒压编程电压小时，所述第一NMOS管Q2打开，实现电池对外放电；
当回采电压比恒压编程电压高，经第三运算放大器AMP3比较放大后，驱动第一NMOS管Q2关闭，第一PMOS管Q1打开，实现电池充电；
所述恒压编程电压随回路电流在实时调整，以模拟一个恒定的电池或电源的内阻。
2.根据权利要求1所述的模拟电源，其特征在于：所述负载是电池、超级电容，或BMS中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的模拟电源，其特征在于：所述模拟电源中的控制部分根据远端电压回采部分和环路电流回采部分回采的电流和电压信号，精确控制输出电流恒流控制部分、恒压控制部分以及灌入电流恒流控制部分，控制负载两端的输出电压，实现对模拟电源内阻的模拟。
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