CN112730930B - 模拟电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模拟电池技术领域，为了解决现有技术中单串模拟电池不能满足实际需求和电流适应性的技术问题，本发明提供了多串模拟电池，包括功率输出单元和小功率模拟电池单元，小功率模拟电池单元包括多串串联的小功率模拟电池，每串小功率模拟电池的正极设置有中间电压抽头，功率输出单元的负极与小功率模拟电池单元的负极连接，功率输出单元的输出电压高于小功率模拟电池单元的输出电压，还包括功率输出接口和中间电压抽头接口，功率输出单元与功率输出接口连接，小功率模拟电池单元的中间电压抽头与中间电压抽头接口连接。设有中间电压抽头接口，实现了模拟多串真实电池的目的，解决了电流适应性差的问题。

Description

模拟电池

技术领域

本发明涉及模拟电池技术领域，具体而言，涉及多串模拟电池。

背景技术

随着各消费类电子产品大量使用锂电池和聚合物电池，使用真实电池测试电子产品影响测试效率，常常使用模拟电池来带替真实电池，模拟电池也可称之为电池模拟器。快充移动电源产品需要用到大电流检测功能，蓝牙产品则需要用到小电流检测功能。部分产品使用了多串真实电池串联来供电，以往单个模拟电池难以满足产品测试需求，给产品研发调试和产线生产测试时遇到众多不便。现有模拟电池不能很好适应大电流检测和小电流检测功能，成本高，适应性差。

发明内容

为了解决现有技术中单串模拟电池不能满足实际需求和电流适应性的技术问题，本发明提供了多串模拟电池，包括功率输出单元和小功率模拟电池单元，具有中间电压抽头接口，实现了模拟多串真实电池的目的，解决了电流适应性差的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

模拟电池包括功率输出单元和小功率模拟电池单元，所述小功率模拟电池单元包括多串串联的小功率模拟电池，每串小功率模拟电池的正极设置有中间电压抽头，所述功率输出单元的负极与所述小功率模拟电池单元的负极连接，功率输出单元的输出电压高于小功率模拟电池单元的输出电压。

进一步的，还包括功率输出接口和中间电压抽头接口，所述功率输出单元与所述功率输出接口连接，所述小功率模拟电池单元的中间电压抽头与所述中间电压抽头接口连接。

优选的，所述功率输出单元包括第一主控模块、第一数模转换模块、电压控制模块、功率输出模块、输出电流放大模块、输出电压放大模块和电流取样模块；所述第一主控模块分别与第一数模转换模块、输出电流放大模块、输出电压放大模块、电流取样模块连接，所述电压控制模块分别与第一数模转换模块、输出电流放大模块和功率输出模块连接，所述输出电流放大模块与第一数模转换模块连接，所述输出电压放大模块分别与功率输出模块连接，所述电流取样模块分别与功率输出模块、第一主控模块连接。

优选的，所述小功率模拟电池单元包括第二主控模块、第二数模转换模块、至少一串小功率模拟电池，其中，所述小功率模拟电池包括模拟电池电压控制模块、模拟电池恒流源控制模块和电流检测模块；所述第二主控模块分别与模拟电池恒流源控制模块、模拟电池电压控制模块、第二数模转换模块连接，所述模拟电池电压控制模块分别与模拟电池恒流源控制模块、电流检测模块、第二数模转换模块连接，所述第二数模转换模块与电流检测模块连接。

进一步的，所述功率输出单元还包括电压模数转换模块和电流模数转换模块，所述电压模数转换模块分别与第一主控模块、输出电压放大模块连接，所述电流模数转换模块分别与第一主控模块、电流取样模块连接。

进一步的，所述功率输出单元还包括输出保护模块，所述输出保护模块设置在功率输出模块与功率输出接口之间，所述输出保护模块分别与第一主控模块、功率输出模块、功率输出接口连接。

进一步的，所述功率输出单元还包括电流档位切换模块，所述电流档位切换模块设置在功率输出模块与功率输出接口之间，所述输出保护模块分别与第一主控模块、功率输出模块、功率输出接口连接。

进一步的，所述功率输出单元电流档位切换模块包括安档切换通路和毫安档切换通路，用于根据电流大小自动切换电流档位。

优选的，所述小功率模拟电池还包括电流档保护模块，所述电流档保护模块分别与第二主控模块、模拟电池电压控制模块连接。

进一步的，所述小功率模拟电池的数量为三串。

实施本发明带来的有益效果是：功率输出单元可输出大功率电源，适用于大电流检测；小功率模拟电池单元可输出小功率电源，适用于小电流检测；相比现有技术，这种组合实现方式可以很好适应大电流检测和小电流检测功能，实现了模拟多串真实电池的目的，解决了电流适应性差的问题，适应性强，成本低。具有电流档位自动切换功能，当测检测到产品小电流时仪器自动切换至毫安档，高精度及高分辨率可到达1mV/1uA，分辨率高可检测产品的待机电流和待机功耗。

附图说明

图1为本发明实施例提供的四串模拟电池的系统框图；

图2为本发明实施例提供的四串模拟电池的功率输出单元控制框图；

图3为本发明实施例提供的输入电压分支框图；

图4为本发明实施例提供的电源转换二级分支框图；

图5为本发明实施例提供的基准电压分支框图；

图6为本发明实施例提供的第一数模转换模块原理图；

图7为本发明实施例提供的多个电路模块组合原理图；

图8为本发明实施例提供的小功率模拟电池单元的系统框图；

图9为本发明实施例提供的小功率模拟电池单元电源框图；

图10为本发明实施例提供的第二数模转换模块原理图；

图11为本发明实施例提供的小功率模拟电池单元电源原理图；

图12为本发明实施例提供的小功率模拟电池串联示意图。

图中：工频变压器1；中间电压抽头接口2；电源板3；功率输出接口4；控制面板5；第一主控模块15；第一数模转换模块20；电压控制模块21；输出电压放大模块22；输出电流放大模块23；功率输出模块24；输出保护模块25；电流档位切换模块26；电流取样模块27；电压模数转换模块28；电流模数转换模块29；模拟电池电压控制模块31；模拟电池恒流源控制模块32；A档保护电路33；uA档保护电路34；电流检测模块35；第二主控制模块41；第二数模转换模块42；电流档保护模块43。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

参阅图1，图1为本发明实施例提供的四串模拟电池的系统框图，包括电源单元、功率输出单元、小功率模拟电池单元、控制面板5，其中，电源单元包括工频变压器1和电源板3。

工频变压器将AC 220V降压为低电交流电，电源板3对低电压交流电进行整流和滤波为直流电，给控制面板5、功率输出单元和小功率模拟电池单元供电。

其中，小功率模拟电池单元由3路独立小功率模拟电池串接组成，分别为第一串模拟电池、第二串模拟电池和第三串模拟电池，模拟4串电池的中间抽头电压；3路独立的小功率模拟电池，通过控制面板5可对每串小功率模拟电池单独设置电压，独立校准电压；功率输出单元和小功率模拟电池单元均安装有风扇，通过空气对流对功率模块散热，保障模块稳定工作；3路总功率30s内平均功率大于3W开启风扇，小于3W持续1分钟关闭风扇；控制面板5用于显示电压、电流和功率等信息，并可通过LCD触摸屏操作进行整机输出电压控制。

可以看出，本发明实施例提供的四串模拟电池采用功率输出单元和小功率模拟电池单元，功率输出单元可输出大功率电源，适用于大电流检测；小功率模拟电池单元可输出小功率电源，适用于小电流检测；功率输出单元输出电压VOut+高于小功率模拟电池单元电压，功率输出单元与第三串模拟电池之间的压差组成虚拟的第四串模拟电池，功率输出单元负极与第一串模拟电池负极连接，第一串模拟电池正极与第二串模拟电池负极连接，第二串模拟电池正极与第三串模拟电池负极连接，第一串模拟电池正极、第二串模拟电池正极、第三串模拟电池正极分别输出电压VOut1+、VOut2+、VOut3+，三串模拟电池串接，相邻两串模拟电池之间分别设置有中间电压抽头。结合图2和图8，输出接口包括功率输出接口4和中间电压抽头接口2，功率输出单元与功率输出接口4连接，中间电压抽头与中间电压抽头接口2连接；相比现有技术，这种组合实现方式可以很好适应大电流检测和小电流检测功能，适应性强，成本低。

本发明实施例提供的四串模拟电池采用工频变压器作为初级供电源，而非普通的开关电源，通过整流滤波及稳压产生的线性直流电源供应器具有高稳定、低杂讯、低漂移和带负载强力强的有益效果。

参阅图2，图2为本发明实施例提供的四串模拟电池的功率输出单元控制框图，包括第一主控模块15、第一数模转换模块20、电压控制模块21、功率输出模块24、电流取样模块27、输出电流放大模块23、输出电压放大模块22和功率输出接口4。

第一主控模块15分别与第一数模转换模块20、电流取样模块27、输出电流放大模块23、输出电压放大模块22连接。

第一主控模块15用于功率输出单元的系统控制，第一数模转换模块20用于将第一主控模块15的数字数据信号转换为模拟信号，并产生基准电压；

第一数模转换模块20与电压控制模块21连接，用于设置电压控制模块21的VSet控制电压；

电压控制模块21与功率输出模块24连接，用于设置功率输出单元的输出电压；

输出电流放大模块23与功率输出模块24连接，用于采集输出电流；输出电流放大模块23还与电压控制模块21连接，用于获取电压控制模块21中运放同相输入端的电压VOutClt；

输出电流放大模块23与第一数模转换模块20连接，用于获取第一数模转换模块20的ISet控制电流；

输出电流放大模块23与第一主控模块15连接，用于将输出电流反馈给第一主控模块15；

输出电压放大模块22分别与功率输出模块24、第一主控模块15连接，输出电压放大模块22用于获取功率输出模块24的输出电压，反馈给第一主控模块15；

电流取样模块27分别与功率输出模块24、第一主控模块15连接，电流取样模块27对功率输出模块24的电流进行采样，然后反馈给第一主控模块15；

进一步的，为了提高分辨率，获取高精度电压值，用于显示屏显示高精度数值，还包括电压模数转换模块28，电压模数转换模块28分别与输出电压放大模块22、第一主控模块15连接，电压模数转换模块28经过高分辨率采样，将模拟量转换为数字量，反馈给第一主控模块15。虽然同样输出电压反馈，与输出电压放大模块22的不同之处于，输出电压放大模块22发送给第一主控模块15的是模拟信号，速度快、响应及时，可以使第一主控模块15快速处理，但第一主控模块15无法处理成高精度数据，而电压模数转换模块28则有很高的分辨率，处理后直接给数字信号发送给第一主控模块15，最后可以通过显示屏显示数高精度电压值，高精度及高分辨率可达1mV，对测试人员具有非常重要的参考作用。

进一步的，为了提高分辨率，获取高精度电流值，用于显示屏显示高精度数值，还包括电流模数转换模块29，电流模数转换模块29分别与电流取样模块27、第一主控模块15连接，电流模数转换模块29经过高分辨率采样，将模拟量转换为数字量，反馈给第一主控模块15，可以精确测试出被测产品的待机电流和待机功耗。电流取样模块27发送的是模拟信号，速度快、响应及时，可以使第一主控模块15快速处理，但第一主控模块15无法处理成高精度数据，而电流模数转换模块29则有很高的分辨率，处理后直接给数字信号发送给第一主控模块15，最后可以通过显示屏显示数高精度电流值。

进一步的，为了提供输出保护，防止大电流等情况损坏功率输出模块24，还设置有输出保护模块25，输出保护模块25分别与功率输出模块24、第一主控模块15、功率输出接口4连接，输出保护模块25受第一主控模块15控制，实现功率输出模块24与功率输出接口4之间的通断；

进一步的，为了适应大电流检测和小电流检测功能，还包括电流档位切换模块26，电流档位切换模块26分别与功率输出模块24、第一主控模块15、功率输出接口4连接，电流档位切换模块26受第一主控模块15控制，实现功率输出模块24与功率输出接口4之间电流档位的切换；

进一步的，为了与外部设备通讯，还包括RS485通讯模块12，RS485通讯模块12与第一主控模块15连接，外部设备通过DB9通讯接口可以实现与第一主控模块15的通讯；

进一步的，为了在温度达到阈值时开启风扇吹风降温，还设置有风扇控制模块13，风扇控制模块13与第一主控模块15连接，可以实现对风扇的开启或关闭；

进一步的，为了方便手动旋转调节输出参数，还包括编码器控制模块14，编码器控制模块14与第一主控模块15连接，通过安装在编码器上的电压调节旋钮可以实现对输出电压等参数的调节。

参阅图3，图3为本发明实施例提供的输入电压分支框图，电源板输出多路电压，电源板连接有输入电源插座，分配给功率输出单元各模块提供工作电压，在本发明实施例中，输入电源插座输出有多路电压，其中，+12V电源分配给风扇控制模块13、电压控制模块21、输出电压放大模块22、第一数模转换模块20、输出电流放大模块23和电源转换模块16，+5V电源分配给电源转换模块16、电流模数转模块29、电流取样模块27、电流档位切换模块26和输出电流放大模块23，-5V源电压分配给电压控制模块21、输出电压放大模块22、第一数模转换模块20和输出电流放大模块23，V+H电源分配给电压控制模块21，V+P电源分配给功率输出模块24，功率输出模块24输出VO+1电源给到输入电源插座。

参阅图4，图4为本发明实施例提供的电源转换二级分支框图，电源转换模块16对输入的+12V和+5V电压进行降压，降压的3.3V电源分配给RS485通讯模块、第一主控模块15、编码器控制模块14、电压模数转换模块28和第一数模转换模块20，降压的VSW+1和VSW-1电源分配给输出保护模块25。

参阅图5，图5为本发明实施例提供的基准电压分支框图，第一数模转换模块20除了进行数模转换外，还提供Ref和1/2Ref基准电压，其中，Ref分配给第一主控模块15、风扇控制模块13、输出电流放大模块23和电压模数转换模块28，1/2Ref分配给电流取样模块27。

参阅图6，图6为本发明实施例提供的第一数模转换模块原理图，第一数模转换模块20通过SPI总线与第一主控模块15连接，第一主控模块15通过第一数模转换模块20输出预设电压VSet、预设电流ISet和基准电压Ref，基准电压Ref通过运放U13输出二分之一基准电压1/2Ref。

参阅图7，图7为本发明实施例提供的多个电路模块组合原理图，具体展示了各主要模块之间的连接关系和工作原理。图1中的VOut+输出电压指图7中功率输出模块24的输出电压，包括VO+1和VO+2，只是经过输出保护模块25时，用VO+1和VO+2区分输出保护模块25前后端的电压。

电压控制模块21包括运放U3和功率放大器U2，VSet通过电阻R11与运放U3的同相输入端连接，当VSet增大时，U3的输出端也随之增大，输出到U2的同相输出端，U2的输出端输出去控制功率输出模块24，功率输出模块24，包括第一组功率管和第二组功率管，第一组功率管由多个NPN型三重扩散硅晶体管组成，包括三极管Q2、Q3、Q4和Q5，四者并联；第二组功率管由多个PNP型大功率三极管组成，包括Q8、Q9、Q10和Q11，四者并联；当二极管D1输出高电平时，三极管Q2、Q3、Q4和Q5导通，V+P电源落在VO+1线路上，功率输出模块24对外放电。

第一组功率管和第二组功率管通过多只功率型的三极管并联均流，实现了输出大电流的的高稳定度。

恒流源控制电路设置有NPN三极管Q14、NMOS管Q12，NPN三极管Q14的集电极与NMOS管Q12的栅极连接并通地电阻R36接地，NPN三极管Q14的基极与NMOS管Q12的源极连接，NPN三极管Q14的发射极与负电源-V连接，NPN三极管Q14的发射极与其基极之间并联有电阻R41和R42，NMOS管Q12的漏极与所述第二组功率管的基极连接。

NMOS管Q12栅极通过电阻R36与地连接，NMOS管Q12源极通过电阻R42与负电压-V连接，Q12栅极电压达到开启电压时，Q12导通，回路中则会给Q14提供基极电压，当电流达到一定程度使Q14的基极电压上升到足以使Q14开始导通时，Q12的栅极电位会被拉低，从而使流过Q12的电流降低。通过对电阻R41、R42和R36的合理取值，该电路最终会达到一个动态平衡，使流过Q12的电流基本恒定。

NMOS管Q12的漏极还与二极管D3的阴极连接，所述二极管D3的阳极与二极管D1的阴极连接，所述二极管D1的阳极与电压控制模块(21)连接，所述二极管D1的阴极与第一组功率管的基极连接。NPN三极管Q14的发射极通过电容C65与地连接。

第一组功率管的发射极和第二组功率管的发射极连接，所述第一组功率管的集电极与电源V+P连接，所述第二组功率管的集电极与地连接，所述第一组功率管的发射极和第二组功率管的发射极连接结点为所述功率输出模块的输出线路。第一组功率管发射极、第二组功率管的发射极与所述输出线路之间均连接用于防浪涌脉冲和耐冲击的功率电阻器。所述第一组功率管的基极与功率输出模块的输出线路之间连接有电阻R13、R14和R15。当二极管D1输出低电平时，三极管Q2、Q3、Q4和Q5截止，此时，二极管D3输出端为低电平，外部设备向功率输出模块24加载电压，使Q8、Q9、Q10和Q11处于导通状态，功率输出模块24处于被充电状态。

可以看出，本发明的实施例提供的功率输出单元具有充放电功能，自动检测，实现充放电快速自动切换。功率输出模块输出功率大，输出稳定。

电阻R21和R26组成分压电路，功率输出模块24的输出电压经此反馈到U2的反相输出端，当输出电压过高时，U2得到负反馈，使得U2降低输出电压，从而是输出电压维持动态平衡。

功率输出模块24的输出端连接有输出保护模块25，包括光耦PC1、NMOS管Q6和Q7，光耦包括发光端和感光端，发光端为一个发光二极管，感光端为一个光敏三极管，PC1中的第1端为发光二极管的阳极，第3端为发光二极管的阴极，第6端为光敏三极管的集电极，第5端为光敏三极管的发射极，PC1的第6端Vcc和第4端Gnd分别与隔离模块M1输出的VSW+1、VSW-1连接，PC1的第1端过通电阻R4与第一主控模块15的第13端连接，第一主控模块15用于控制PC1，在第一主控模块15检测到输出电流大于预定阈值时，第一主控模块15的OutOn端的输出电平状态，通过PC1可控制NMOS管Q6和Q7的关断。

进一步的，为了降低电源纹波，PC1的第6端Vcc和第4端Gnd之间还连接有滤波电容C4。

NMOS管Q6和Q7的栅极G与PC1的第5端连接，当PC1的第5端为低电平时，NMOS管Q6和Q7不导通；当PC1的第5端为高电平时，NMOS管Q6和Q7导通。

具体地，Q6的源极S和Q7的源极S共同接入PC1的第4端，Q6的栅极G与源极S之间连接有电阻R12，Q6的漏极D与功率输出模块24的输出端连接，Q7的漏极D与功率输出接口4连接。

进一步的，为了提高带载能力，NMOS管Q6和Q7选用功率型NMOS管。

功率输出模块24的负极输出端连接有电流档位切换模块26，包括安档切换通路和毫安档切换通路；

安档切换通路包括电阻R37、三极管Q13和NMOS管Q15，+5V电源分别与电阻R37的一端、三极管Q13的集电极连接，第一主控模块15的安档控制端分别与电阻R37的另一端连接，NMOS管Q15的栅极分别与三极管Q13的发射极连接，NMOS管Q15的源极S与功率输出模块24的负极输出端连接，NMOS管Q15的漏极D与功率输出接口4连接。

进一步的，为了防止发射极高电压被击穿，三极管Q13的基极和发射极并联有反向二极管D5，防止有反向的高电压加在发射极上，形成一种保护钳位。

毫安档切换通路包括电阻R49、三极管Q16和NMOS管Q17，+5V电源分别与电阻R49的一端、三极管Q16的集电极连接，第一主控模块15的毫安档控制端分别与电阻R49的另一端连接，NMOS管Q16的栅极分别与三极管Q16的发射极连接，NMOS管Q16的源极S通过二极管D6、D8、电容C27与功率输出模块24的负极输出端连接，其中，二极管D6和D8反向并联，然后再与电容C27并联，NMOS管Q16的漏极D与功率输出接口4连接。

进一步的，为了防止发射极高电压被击穿，三极管Q16的基极和发射极并联有反向二极管D9，防止有反向的高电压加在发射极上，形成一种保护钳位。

安档接入点与毫安档接入点之间设置有检流电阻R43，检流电阻R43为四线精密检测电阻，检流电阻R43第1端与二极管D6的阴极连接，检流电阻R43第2端与NMOS管Q15的源极S连接。

安档切换通路和毫安档切换通路受第一主控模块15的控制，当安档的A端为高电平时，三极管Q13导通，NMOS管Q15导通，安档为通路状态，毫安档切换通路同时，但安档切换通路和毫安档切换通路设计时不会同时通路，选择其一为通路。

可以看出，可以自动检测电流大小，当测检测到产品小电流时仪器自动切换至毫安档。

电流取样模块27与检流电阻R43连接，具体地，电流取样模块27包括两个电流灵敏放大器U10和U11，U10的第4端、第6端分别与U11的第6端、第4端连接，U10的第4端通过串联的电阻R64、R59与R43的第1端连接，U10的第6端通过串联的电阻R60、R54与R43的第2端连接，

电流灵敏放大器U10和U11分别通过电阻R66、R67与第一主控模块15连接，电流灵敏放大器U10和U11的第3端连接有+5V电源，分别通过滤波电容C68、C69接地，电流灵敏放大器U10和U11的第3端与第5端之间连接有滤波电容C39，电流灵敏放大器U10和U11的第3端连接有1/2Ref基准电压。

根据欧姆定律，当被测电流流过电阻时，电阻两端的电压与电流成正比，通过连接在检流电阻R43两端，电流灵敏放大器U10和U11可以从正反两个方向获取检流电阻R43两端电压，然后将检测电压放大后反馈第一主控模块15。

输出电流放大模块23与检流电阻R43连接，输出电流放大模块23包括双通道运放U8A和运放U7，U8A的同相、反相输入端分别通过电阻R55、R61连接至检流电阻R43的第1端、第2端，U8A的输出端与U7的反相输入端连接。

U7将预设电流ISet与实际电流进行比较，当实际电流大于预设电流ISet时，U7输出低电平，由于U2的同相输入端通过电阻R48、二极管D7与U7的输出端连接，此时会将U2的同时输入端电压拉低，在U2的控制下，使功率输出模块24输出电压降低，进而降低输出电流。

输出电压VO+2与运放U5的同相输入端连接，CN3代表远端采样接口，用于解决大电流压降问题。一般的电源是在电源的输出端子进行电压采样，虽然可以确保输出的端子的电压稳定，但是从输出端子到负载，这一段连接线会造成压降，因此负载实际得到的电压是低于电源输出端子的，而且受电流大小影响。通过设置远端采样接口把它用单独的导线直接连接到负载处，这样，电源检测的是负载上的实际电压，就避免了上述压降。当经过远端采样电路发现电压过低时，运放U5输出电压降低，从而使运放U3输出变高，随之运放U2输高变高，使整体输出电压变高，解决负载端电压过低的问题。

当第一主控模块15通过OutOn产生高电平，控制PC2A发光，PC2B感光后导通，电阻R38被短路掉，PC2并联有电阻R35，PC2与R35连接，R33是采样电阻，VO+1通过R35输入到U5的同相输入端，VO-通过R29输入到U5的反相输入端，R35和R29是限流保护电阻，用于保护差分放大器U5，U5的输出端通过R31和R34组成的分压电路与U3的反相输入端连接，U5将输出电压放大后与预设电压VSet进行比较，当输出电压大于预设电压Vset时，U3输出变低，从而控制U2降低输出，U2控制功率输出模块降低输出电压，维持电压的稳定输出。U5的输出端还连接有R45、R47、R50和R52组成的分压电路，并通过电阻R46、R51将R47两端分压反馈给第一主控模块15，电阻R46、R51的输出端还连接有滤波电容C19。

进一步的，为了获取高精度电压值，用于显示屏显示高精度数值，电压模数转换模块28通过ADOut+和ADOut-与R50连接，将R50两端分压输入给电压模数转换模块28，再由电压模数转换模块28中的U12反馈给第一主控模块15。

参阅图8，图8为本发明实施例提供的小功率模拟电池单元的系统框图，小功率模拟电池包括第一串模拟电池、第二串模拟电池和第三串模拟电池，三串模拟电池原理和电路结构基本相同，区别之处在于第一串模拟电池的负极接地，三串模拟电池正极分别输出VOut1+、VOut2+和VOut3+至中间电压抽头接口2；以第一串摸拟电池为例，包括第二主控模块41、第二数模转换模块42、模拟电池电压控制模块31、模拟电池恒流源控制模块32和电流检测模块35；

进一步的，为了电流输出保护，还设置电流档保护模块43，结合图11，电流档保护模块43包括A档保护电路33、uA档保护电路34。

参阅图9，图9为本发明实施例提供的小功率模拟电池单元电源框图，由前述电源板的低压交流输出接口输出的多组交流电压，分别经过独立的整流滤波模块变换为直流电，再经过独立的降压模块进一步稳压，降压模块线性电源模块，提供第一至三串模拟电池工作所需的电压。参阅图12，其中，给第一串模拟电池提供Vin1+和Vin1-电源，给第一串模拟电池提供Vin2+和Vin2-电源，给第一串模拟电池提供Vin3+和Vin3-电源。小功率模拟电池所需电压由线性电源提供，可以减少杂波干扰，有更可靠的性能。

参阅图10，图10为本发明实施例提供的第二数模转换模块原理图，第二数模转换模块42通过SPI总线与第二主控模块41连接，和第一数模转换模块原理类似，其不同之处在于，小功率模拟电池由多串组成，因此需要多个预设电压，在本实施例中由三节小功率模拟电池组成，共需要三组预设三电压，每个模数转换芯片最多输出两个预设电压，故包括两个模数转换芯片U31和U32，U31和U32通过SPI总线与第二主控模块41连接，第二主控模块41通过U31和U32连接输出VSet1、VSet2、VSet3和基准电压Ref，基准电压Ref通过运放U33输出参考电压ADCtRef，分别连接到每串模拟电池。

可以看出，每串模拟电池电压都独立可调。

参阅图11，图11为本发明实施例提供的小功率模拟电池原理图，以第一串模拟电池为例，包括模拟电池电压控制模块31、模拟电池恒流源控制模块32、A档保护电路33、uA档保护电路34和电流检测模块35。

具体地，模拟电池电压控制模块31包括运放U43和U44，U44的同相输入端连接有预设电压VSet1，U44的反相输入端通过电阻R161与U43的输出端连接，U44的输出端通过电阻R331与NMOS管Q111的栅极G连接，NMOS管的漏极D连接有Vin1+。U44的输出端与反相端之间加入由C471、R151组成的比例积分网络，比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差，其有效益果是可以改善U44的传递函数，使系统更加稳定。

VSet1控制U44的输出状态，当U44输出高电平时，Q111导通，第三串模拟电池对负载供电。

可以看出，如同VSet1一样，VSet2和VSet3可独立设置对应每串小功率模拟电池的校准电压。

模拟电池恒流源控制模块32包括运放U45和U46，U46的输出端通过电阻R171与NMOS管Q121的栅极连接，Vin1-通过取样电阻R831与NMOS管Q121的源极S及VOut1-连接；运放U45的同相输出端通过电阻R431与VOut1+等效连接，U45的输出端通过电阻R241与U43的同相输入端连接，当外部输入电压高于第一串模拟电池输出电压时，通过作为电压跟随器的U45对采样的输入电压进行隔离并放大，U43输出高电平，进而使U44输出低电平，Q111关断。当外部电源对第一串模拟电池进行充电时，充电电流可流经Q121消耗掉。

本实施例中，电压调节范围0-5V，电压稳定度2mV以内，输出电流达10A。

图12展示了三串模接电池的串联连接关系，第一串模拟电池的负极接地，第一串模拟电池的正极与第二串模拟电池的负极连接，第二串模拟电池的正极与第三串模拟电池的负极连接，R831、R832和R833分别是第一串模拟电池、第二串模拟电池和第三串模拟电池的恒流源取样电阻。

可以看出，本发明的实施例提供的每串模拟电池具有充放电功能，自动检测，实现充放电快速自动切换。

VOut1+线路上串联有0欧电阻R391和10欧电阻R222。

电流检测模块35包括电感灵敏放大器U47，U47的第4端通过电R322与Vin1+输出连接，U47的第4端通过电R322与电阻R391的第1端连接，U47的第5端通过电R181与电阻R222的第2端连接，U47用于采集流经电阻R222的正或反向电流，将其放大并反馈给第二主控模块41。

A档保护电路33包括三极管Q21、Q51、NMOS管Q122、Q31、电阻R122和光耦PC11，Q31的源极分别与Q122的源极、Q51的集电极、电阻R122的第2端连接，Q31的漏极与VOut1+连接，Q31的栅极分别与Q21的发射极、Q51的发射极、Q122的栅极连接，Q122的漏极与电阻R222的第1端连接，光耦PC11的感光端并联在Q21的集电极和基极之间，Q21的基极与Q51的基极、电阻R122的第1端连接，Q21的集电极与电源Vin1连接，光耦PC11发光端通过电阻R891与第二主控模块41的mAOn1端连接。当mAOn1端为高电平，Q21导通，Q51截止，使Q122和Q31导通；当mAOn1端为低电平，Q21截止，Q51导通，使Q122和Q31截止。用于实现A档保护功能。

uA档保护电路34包括光耦PC21、PC31、NMOS管Q41、Q61，Q41的源极分别与Q61的源极、电阻R188的第2端连接，Q41的漏极与R222的第2端连接，Q41的栅极分别与Q61的栅极、PC21、PC31的感光端连接，P21感光端与电源Vin1连接，P31感光端与电阻R188的第1端连接，PC21、PC31的发光端串联，PC21发光端的阴极通过电阻R751、R761与PC31发光端的阳极连接，电阻R751和R761之间的控制结点uAOn1与第二主控模块41连接。PC11和PC31的发光端阴极接地，PC21发光端的阳极与3.3V电源连接。当第二主控模块41可控制PC21或PC31发光端发光与否，使对应感光端的光敏三极管导通或截止，最终使Q41和Q61导通或截止，用于实现uA档保护功能。

本发明实施例提供的四串模拟电池，包括功率输出单元和小功率模拟电池单元，输出接口包括功率输出接口4和中间电压抽头接口2，功率输出单元与功率输出接口4连接，小功率模拟电池单元与中间电压抽头接口2连接。功率功率输出单元输出电压高于小功率模拟电池单元电压，功率输出单元与第三串模拟电池之间的压差组成虚拟的第四串模拟电池，功率输出单元负极与第一串模拟电池负极连接，第一串模拟电池正极与第二串模拟电池负极连接，第二串模拟电池正极与第三串模拟电池负极连接，三串模拟电池分别形成中间抽头电压VOut1+、VOut2+和VOut3+。

与现有技术相比，实施本发明实施例带来的有益效果是：

功率输出单元可输出大功率电源，适用于大电流检测；小功率模拟电池单元可输出小功率电源，适用于小电流检测；相比现有技术，这种组合实现方式可以很好适应大电流检测和小电流检测功能，实现了模拟多串真实电池的目的，解决了电流适应性差的问题，适应性强，成本低。

本发明实施例提供的四串模拟电池还具有输出供电和输入充电两种功能，可模拟产品电池的充电、放电；该仪器设备主要用于移动电源，蓝牙，充电器、电池供电设备的研发调试和产线测试，也可以当做普通可调电源使用，其输出电压和输入、输出电流保护值均可设定，充放电可快速自动切换；每串电池可独立设置电压，电压独立校准；具有电流档位自动切换功能，当测检测到产品小电流时仪器自动切换至毫安档；高精度及高分辨率可到达1mV/1uA，分辨率高可检测产品的待机电流和待机功耗；线性可编程直流电源供应器高稳定、低杂讯和低漂移等优点；带有电气隔离串口通讯接口与PC通讯，方便融入其他集成设备配套使用，比如AET自动测试系统等。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，本说明书以模拟四串电池为例进行说明，显然，本方案不限于模拟四串电池，可根据相同原理进行增减，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (7)

1.模拟电池，其特征在于，包括功率输出单元和小功率模拟电池单元，所述小功率模拟电池单元包括多串串联的小功率模拟电池，每串小功率模拟电池的正极设置有中间电压抽头，所述功率输出单元的负极与所述小功率模拟电池单元的负极连接，所述功率输出单元的输出电压高于所述小功率模拟电池单元的输出电压；

所述功率输出单元包括第一主控模块(15)、第一数模转换模块(20)、电压控制模块(21)、功率输出模块(24)、输出电流放大模块(23)、输出电压放大模块(22)和电流取样模块(27)；

所述第一主控模块(15)分别与第一数模转换模块(20)、输出电流放大模块(23)、输出电压放大模块(22)、电流取样模块(27)连接，所述电压控制模块(21)分别与第一数模转换模块(20)、输出电流放大模块(23)和功率输出模块(24)连接，所述输出电流放大模块(23)与第一数模转换模块(20)连接，所述输出电压放大模块(22)分别与功率输出模块(24)连接，所述电流取样模块(27)分别与功率输出模块(24)、第一主控模块(15)连接。

2.根据权利要求1所述的模拟电池，其特征在于，还包括功率输出接口(4)和中间电压抽头接口(2)，所述功率输出单元与所述功率输出接口(4)连接，所述小功率模拟电池单元的中间电压抽头与所述中间电压抽头接口(2)连接。

3.根据权利要求1或2所述的模拟电池，其特征在于，所述功率输出单元还包括电压模数转换模块(28)和电流模数转换模块(29)，所述电压模数转换模块(28)分别与第一主控模块(15)、输出电压放大模块(22) 连接，所述电流模数转换模块(29)分别与第一主控模块(15)、电流取样模块(27) 连接。

4.根据权利要求3所述的模拟电池，其特征在于，所述功率输出单元还包括输出保护模块(25)，所述输出保护模块(25)设置在功率输出模块(24)与功率输出接口(4)之间，所述输出保护模块(25)分别与第一主控模块(15)、功率输出模块(24)、功率输出接口(4)连接。

5.根据权利要求4所述的模拟电池，其特征在于，所述功率输出单元还包括电流档位切换模块(26)，所述电流档位切换模块(26)设置在功率输出模块(24)与功率输出接口(4)之间，所述输出保护模块(25)分别与第一主控模块(15)、功率输出模块(24)、功率输出接口(4)连接。

6.根据权利要求5所述的模拟电池，其特征在于，所述功率输出单元电流档位切换模块(26)包括安档切换通路和毫安档切换通路，用于根据电流大小自动切换电流档位。

7.根据权利要求1或2所述的模拟电池，其特征在于，所述小功率模拟电池的数量为三串。

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