CN207234417U - 一种稳定电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种稳定电源，包括有外电源、充电电路、第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、第四开关电路、储能装置、模拟量采集模块、CPU模块、稳定电源输出端和滤波电路，其中外电源与充电电路连接，充电电路与第一开关电路、第三开关电路相连，第一开关电路和第三开关电路同时与储能装置相连，储能装置还与第二开关电路和第四开关电路相连接，CPU模块通过电信号对第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路和第四开关电路进行控制，控制方法采用CPU模块中的复合算法，结合了开环控制算法和闭环控制算法，有益效果：减少了由于控制过程产生的纹波和噪声。

Description

一种稳定电源

技术领域

本实用新型涉及电子信息技术领域，特别涉及一种稳定电源。

背景技术

目前，市面上常规的供电电源多为开关电源，由于其工作原理存在着难以弥补的缺陷，通过一个开关电路控制输出电压的稳定，这就意味着在工作时会产生频率成分复杂的纹波和噪声，对后级的电子学系统带来不必要的干扰，特别是对于谱分析领域所用的仪器，这种干扰的影响会产生较复杂的本底谱，不利于谱分析工作的展开。另一方面，市面上存在的电池组供电电源，多数使用的是锂离子电池，虽然可以重复使用，但每次充电都要拆卸，十分不便，而另一点，当涉及电池组供电的时候，由于电池组供电的控制方法不够优化，导致了输出电压产生较大的抖动。常用的电池组供电电源，往往采用单一的开环控制算法，或闭环控制算法。但开环控制算法和闭环控制算法都具有明显的缺陷。由于开环控制算法没有反馈机制，所以控制不够灵活和准确；闭环控制算法拥有反馈机制，但由于需要实时监控和调节，所以占用CPU内存较大。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决现有供电电源在使用过程中存在的诸多问题而提供的一种稳定电源。

本实用新型提供的稳定电源包括有外电源、充电电路、第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、第四开关电路、储能装置、模拟量采集模块、CPU模块、稳定电源输出端和滤波电路，其中外电源与充电电路连接，充电电路与第一开关电路、第三开关电路相连，第一开关电路和第三开关电路并联连接，第一开关电路和第三开关电路同时与储能装置相连，储能装置还与第二开关电路和第四开关电路相连接，第二开关电路和第四开关电路并联连接，第二开关电路和第四开关电路还与稳定电源输出端相连，滤波电路设置在稳定电源输出端与第二开关电路和第四开关电路的连接电路之间，CPU模块通过电信号对第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路和第四开关电路进行控制，CPU模块还与模拟量采集模块相连接，模拟量采集模块与储能装置相连接。

充电电路为电压转换电路，将外电源的电压转换成储能装置所需要的电压，充电电路包括有输入端正极、输入端负极、输出端正极和输出端负极，输入端正极与外电源输出端正极相连，输入端负极与外电源输出端负极相连。

第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路和第四开关电路由数个开关元件及其外围电路组成，第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、第四开关电路均引出数个接线柱，其中第一开关电路、第四开关电路包括一个输入接线柱和数个输出接线柱，以及与输出接线柱同数量的控制接线柱，输入接线柱与数个输入极串联，输入极数量与控制接线柱数量相同，电流从输入极流向输出接线柱，控制接线柱接收电信号，控制输入极到输出接线柱电路的通断，输入极与控制接线柱和输出接线柱一一对应；

第二开关电路、第三开关电路包括一个输出接线柱，数个输入接线柱，以及与输入接线柱同数量的控制接线柱，输出接线柱与数个输出极串联，输出极数量与控制接线柱数量相同，电流从输入接线柱流向输出极，控制接线柱接收电信号，控制输入接线柱到输出极电路的通断，输入接线柱与控制接线柱和输出极一一对应；

第二开关电路输出接线柱与稳定电源输出端正极相连，第四开关电路输入接线柱与稳定电源输出端负极相连。

充电电路的输出端正极与第一开关电路输入接线柱相连，充电电路输出端负极与第三开关电路输出接线柱相连。

储能装置由数个储能单元组成，其表面设置有外露的储能单元正极和储能单元负极，储能单元正极与储能单元负极数量相同且与储能单元的数量一致，且一一对应，数个储能单元相互独立，第一开关电路、第四开关电路的输出接线柱以及第二开关电路、第三开关电路的输入接线柱的数量与储能单元的数量相同，且一一对应，储能单元由一个或数个储能单体组成，储能单体能够多次循环充放电，储能单体表面有储能单体正极和储能单体负极，当电流由所述的储能单体负极流向所述的储能单体正极时，储能单体为充电状态，当电流由所述的储能单体正极流向所述的储能单体负极时，所述的储能单体为放电状态；

储能单元由数个储能单体组成时，数个储能单体并联连接，即组成一个储能单元的数个储能单体的储能单体正极用一根导线相连，且与一块正极材料相连做为储能单元正极；组成一个储能单元的数个储能单体的储能单体负极用一根导线相连，且与一块负极材料相连作为储能单元负极；当电流由储能单元负极流向储能单元正极时，储能单元为充电状态，当电流由储能单元正极流向储能单元负极时，所述的储能单元为放电状态；储能单元正极连接有第一开关电路输出接线柱和第二开关电路输入接线柱，储能单元负极连接有第三开关电路输入接线柱和第四开关电路输出接线柱，储能单元正极与第一开关电路输出接线柱、第二开关电路输入接线柱一一对应；储能单元负极与第三开关电路输入接线柱、第四开关电路输出接线柱一一对应。

滤波电路与稳定电源输出端的正负极相连，滤波电路由数个并联的电容组成。

CPU模块设置有输出电信号接线柱以及模拟量输入接线柱，模拟量输入接线柱数量与储能单元数量相同，输出电信号接线柱的数量是模拟量输入接线柱的四倍，输出电信号接线柱分别与第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路和第四开关电路的控制接线柱相连，且每个输出电信号接线柱只与一个第一开关电路或第二开关电路或第三开关电路或第四开关电路的控制接线柱相连；CPU模块设置有数个CPU芯片，CPU芯片的模拟量输入引脚与模拟量输入接线柱相连，CPU芯片的电信号输出引脚与输出电信号接线柱相连，CPU模块内集成了复合算法，复合算法通过处理模拟量采集模块采集的状态参数，判断储能单元的剩余电量并发出多路电信号控制第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路和第四开关电路使稳定电源输出端输出稳定的电压值。

模拟量采集模块设置有模拟量输出接线柱和与模拟量输出接线柱同数量的采集探头，采集探头采集的信号经过信号处理电路处理，信号处理电路将采集探头采集的模拟量调制成CPU芯片能识别的信号，并由模拟量输出接线柱输出，采集探头、信号处理电路和模拟量输出接线柱一一对应，模拟量采集模块用于监控储能单元的状态参数，状态参数为储能单元向外输出的电压、电流，模拟量输出接线柱与CPU模块的模拟量输入接线柱相连，模拟量输出接线柱的数量与模拟量输入接线柱数量相同，且每个模拟量输出接线柱只与一个模拟量输入接线柱相连。

本实用新型提供的稳定电源的控制方法，其具体方法如下所述：

控制方法采用CPU模块中的复合算法，复合算法结合了开环控制算法和闭环控制算法，其具体步骤如下：

步骤一、系统启动时，将所有开关电路断开，CPU模块通过模拟量采集模块采集所有储能单元的状态参数，将状态参数在标称值范围内的储能单元生成一个独一无二的编号，并将编号随机的生成一个队列；

步骤二、CPU模块控制状态参数在标称值范围外的储能单元相应的第一开关电路和第三开关电路闭合，储能单元进入充电状态；

步骤三、CPU模块将发出电信号控制所述的队列中第一个编号所对应的储能单元相应的第二开关电路、第四开关电路闭合，第一个编号对应的储能单元进入向外输出电压状态，队列中第一个编号消失，其他编号顺次递进一位；

步骤四、采用闭环控制算法通过对储能单元的状态参数进行分析，通过与一个标称的范围作比较，当所述的储能单元的状态参数的实际值跌出了标称的范围，CPU模块将发出电信号控制所述的第二开关电路、第四开关电路断开并控制第一开关电路和第三开关电路闭合，储能单元进入充电状态；

步骤五、CPU模块将发出电信号控制所述的队列中第一个编号所对应的储能单元相应的第二开关电路、第四开关电路闭合，重复以上步骤一至步骤四的过程；

步骤六、采用开环控制算法对闭环控制算法进行补偿，开环控制算法包括两部分，储能单元的充电时间计算算法和储能单元的放电时间计算算法，具体如下：

(1)、当储能单元对应的编号处在队列中，CPU模块停止通过模拟量采集模块采集储能单元的状态参数；

(2)、当储能单元进入充电状态，执行储能单元的充电时间计算算法，CPU模块通过模拟量采集模块采集储能单元的状态参数计算出储能单元所需的充电时间T1；

(3)、CPU模块停止通过模拟量采集模块采集储能单元的状态参数，并在储能单元进入充电状态T1-10％T1后，CPU模块重新开始通过模拟量采集模块采集储能单元的状态参数，当所述的储能单元的状态参数的实际值重新回到了标称的范围，将状态参数在标称值范围内的储能单元生成一个单独的编号，并将编号放在队列的末尾；

(4)、当储能单元进入向外输出电压状态，执行储能单元的放电时间计算算法，CPU模块通过模拟量采集模块采集储能单元的状态参数计算出储能单元的放电时间T2；

(5)、CPU模块停止通过模拟量采集模块采集所述的储能单元的状态参数，并在所述的储能单元进入向外输出电压状态T2-10％T2后，CPU模块重新开始通过模拟量采集模块采集储能单元的状态参数。

本实用新型的工作原理：

运用CPU模块中复合算法的控制方法，通过CPU模块控制第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、第四开关电路的通断，进而控制储能单元的状态，具体表现为当储能装置中的储能单元对应的第一开关电路与第三开关电路闭合，第二开关电路与第四开关电路断开时，储能单元与充电电路连接，充电电路与外电源连接，此时储能单元为充电状态；当储能装置中的储能单元对应的第一开关电路与第三开关电路断开，第二开关电路与第四开关电路闭合时，储能单元与稳定电源输出端相连，储能单元为向外输出电压状态。CPU模块内置的复合算法通过模拟量采集模块采集的储能单元状态参数动态的调节第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路和第四开关电路的通断。滤波电路并联在稳定电源输出端的正极与负极之间，使输出电压更稳定。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供的稳定电源引入了储能装置，储能装置能提供稳定的电压输出，保证了稳定电源输出电压的稳定性；储能装置将外电源与稳定电源的输出端隔离开，去除了由于外电源所产生的纹波和噪声；本实用新型使用了更加优化的控制方法，减少了由于控制过程产生的纹波和噪声。

附图说明

图1为本实用新型所稳定电源整体结构示意图。

图2为使用了复合算法的一个锂离子电池连接的稳定电源的电路图。

1、外电源 2、充电电路 3、第一开关电路 4、第二开关电路

5、第三开关电路 6、第四开关电路 7、储能装置 8、模拟量采集模块

9、CPU模块 10、稳定电源输出端 11、滤波电路。

具体实施方式

请参阅图1至图2所示：

在本实施例中，外电源1采用220V的市电，充电电路2采用一个开关电源模块。第一开关电路3、第二开关电路4、第三开关电路5、第四开关电路6采用十六个PNP型低压高频三极管。其中，第一三极管、第五三极管、第九三极管、第十三三极管组成第一开关电路3；第二三极管、第六三极管、第十三极管、第十四三极管组成第二开关电路4；第三三极管、第七三极管、第十一三极管、第十五三极管组成第三开关电路5；第四三极管、第八三极管、第十二三极管、第十六三极管组成第四开关电路6；

储能装置7采用四块锂电池，分别为第一锂电池、第二锂电池、第三锂电池和第四锂电池，每块锂电池作为一个储能单元，每块锂电池的额定输出电压为12V。CPU模块9为STM32F103C8T6最小系统，摸拟量采集模块8包括四个运算放大电路，四个运算放大电路为放大倍数可调的运算放大电路，包括第一运算放大电路、第二运算放大电路、第三运算放大电路和第四运算放大电路。

开关电源模块其输入电压为220V，输入电压的火线输入端与市电的火线相连，零线输入端与市电的零线相连，地线输入端与市电的地线相连。开关电源模块其输出电压为12V，其输出电压正极与第一三极管、第五三极管、第九三极管、第十三三极管的发射极分别相连，所述的第一三极管、第五三极管、第九三极管、第十三三极管并联连接。其输出电压负极与第三三极管、第七三极管、第十一三极管、第十五三极管的集电极分别相连，第三三极管、第七三极管、第十一三极管和第十五三极管并联连接。

第一三极管的集电极与第一锂电池的正极相连，并与第二三极管的发射极相连，第三三极管的发射极与第一锂电池的负极相连，并与第四三极管的集电极相连；第五三极管的集电极与第二锂电池的正极相连，并与第六三极管的发射极相连，第七三极管的发射极与第二锂电池的负极相连，并与第八三极管的集电极相连；第九三极管的集电极与第三锂电池的正极相连，并与第十三极管的发射极相连，第十一三极管的发射极与第三锂电池的负极相连，并与第十二三极管的集电极相连；第十三三极管的集电极与第四锂电池的正极相连，并与第十四三极管的发射极相连，第十五三极管的发射极与第四锂电池的负极相连，并与第十六三极管的集电极相连。

第二三极管、第六三极管、第十三极管和第十四三极管的集电极分别与稳定电源输出端10正极相连，第二三极管、第六三极管、第十三极管和第十四三极管并联连接；第四三极管、第八三极管、第十二三极管和第十六三极管的发射极分别与稳定电源输出端10负极相连，第四三极管、第八三极管、第十二三极管和第十六三极管并联连接。

稳定电源正负极并联了第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，第一电容、第二电容、第三电容和第四电容组成了滤波电路11。

STM32F103C8T6的十六个通用IO引脚——第一引脚到第十六引脚，分别与第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、第五三极管、第六三极管、第七三极管、第八三极管、第九三极管、第十三极管、第十一三极管、第十二三极管、第十三三极管、第十四三极管、第十五三极管和第十六三极管的基极相连，并一一对应。

STM32F103C8T6的四个ADC输入引脚—第十七引脚到第二十引脚，分别与第一运算放大电路、第二运算放大电路、第三运算放大电路和第四运算放大电路的OUT脚相连。

STM32F103C8T6的GND角即第二十一引脚与第一锂电池、第二锂电池、第三锂电池和第四锂电池的负极相连，第一锂电池、第二锂电池、第三锂电池和第四锂电池的负极串联连接。

第一锂电池正极与第一运算放大电路的IN+相连，第一锂电池负极与第一运算放大电路的IN-相连；第二锂电池正极与第二运算放大电路的IN+相连，第二锂电池负极与第二运算放大电路的IN-相连；第三锂电池正极与第三运算放大电路的IN+相连，第三锂电池负极与第三运算放大电路的IN-相连；第四锂电池正极与第四运算放大电路的IN+相连，第四锂电池负极与第四运算放大电路的IN-相连。

本实用新型提供的稳定电源的控制方法，其具体方法如下所述：

CPU模块9中写入了所述的复合算法。系统启动时，所有开关电路断开，STM32F103C8T6通过读取各锂电池电压，将输出电压达到11.5V到12.5V的锂电池生成一个独一无二的编号，并将编号随机的生成一个队列；

STM32F103C8T6控制输出电压未达到11.5V的锂电池相应的第一开关电路3，即第一三极管或第五三极管或第九三极管或第十三三极管和第三开关电路5，即第三三极管或第七三极管或第十一三极管或第十五三极管闭合，锂电池进入充电状态。

STM32F103C8T6将发出电信号控制所述的队列中第一个编号所对应的锂电池相应的第二开关电路4，即第二三极管或第六三极管或第十三极管或第十四三极管和第四开关电路6，即第四三极管或第八三极管或第十二三极管或第十六三极管闭合。第一个编号对应的锂电池进入向外输出电压状态。所述的队列中第一个编号消失，其他编号顺次递进一位。

STM32F103C8T6将发出电信号控制所述的队列中第一个编号所对应的锂电池相应的第二开关电路4、第四开关电路6闭合。重复以上过程。

当锂电池对应的编号处在队列中，STM32F103C8T6停止读取所述的锂电池的输出电压值。

当锂电池进入充电状态，执行储能装置7中的储能单元的充电时间计算算法，STM32F103C8T6通过读取锂电池的输出电压值得到锂电池所需的充电时间T1。

STM32F103C8T6停止读取所述的锂电池的输出电压值，并在锂电池进入充电状态T1-10％T1后，STM32F103C8T6重新开始读取所述的锂电池的输出电压值，当锂电池的输出电压值达到12.5V，将该锂电池生成一个独一无二的编号，并将编号放在队列的末尾。

当锂电池进入向外输出电压状态，执行储能装置7中的储能单元的放电时间计算算法，STM32F103C8T6通过读取锂电池的输出电压值得到锂电池所需的放电时间T2。

STM32F103C8T6停止读取所述的锂电池的输出电压值，并在所述的锂电池进入向外输出电压状态T2-10％T2后，STM32F103C8T6重新开始读取所述的锂电池的输出电压值。

Claims (5)

1.一种稳定电源，其特征在于：包括有外电源、充电电路、第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、第四开关电路、储能装置、模拟量采集模块、CPU模块、稳定电源输出端和滤波电路，其中外电源与充电电路连接，充电电路与第一开关电路、第三开关电路相连，第一开关电路和第三开关电路并联连接，第一开关电路和第三开关电路同时与储能装置相连，储能装置还与第二开关电路和第四开关电路相连接，第二开关电路和第四开关电路并联连接，第二开关电路和第四开关电路还与稳定电源输出端相连，滤波电路设置在稳定电源输出端与第二开关电路和第四开关电路的连接电路之间，CPU模块通过电信号对第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路和第四开关电路进行控制，CPU模块还与模拟量采集模块相连接，模拟量采集模块与储能装置相连接。

2.根据权利要求1所述的一种稳定电源，其特征在于：所述的充电电路为电压转换电路，将外电源的电压转换成储能装置所需要的电压，充电电路包括有输入端正极、输入端负极、输出端正极和输出端负极，输入端正极与外电源输出端正极相连，输入端负极与外电源输出端负极相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种稳定电源，其特征在于：所述的第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路和第四开关电路由数个开关元件及其外围电路组成，第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、第四开关电路均引出数个接线柱，其中第一开关电路、第四开关电路包括一个输入接线柱和数个输出接线柱，以及与输出接线柱同数量的控制接线柱，输入接线柱与数个输入极串联，输入极数量与控制接线柱数量相同，电流从输入极流向输出接线柱，控制接线柱接收电信号，控制输入极到输出接线柱电路的通断，输入极与控制接线柱和输出接线柱一一对应；

第二开关电路、第三开关电路包括一个输出接线柱，数个输入接线柱，以及与输入接线柱同数量的控制接线柱，输出接线柱与数个输出极串联，输出极数量与控制接线柱数量相同，电流从输入接线柱流向输出极，控制接线柱接收电信号，控制输入接线柱到输出极电路的通断，输入接线柱与控制接线柱和输出极一一对应；

第二开关电路输出接线柱与稳定电源输出端正极相连，第四开关电路输入接线柱与稳定电源输出端负极相连，充电电路的输出端正极与第一开关电路输入接线柱相连，充电电路输出端负极与第三开关电路输出接线柱相连。

4.根据权利要求1所述的一种稳定电源，其特征在于：所述的储能装置由数个储能单元组成，其表面设置有外露的储能单元正极和储能单元负极，储能单元正极与储能单元负极数量相同且与储能单元的数量一致，且一一对应，数个储能单元相互独立，第一开关电路、第四开关电路的输出接线柱以及第二开关电路、第三开关电路的输入接线柱的数量与储能单元的数量相同，且一一对应，储能单元由一个或数个储能单体组成，储能单体能够多次循环充放电，储能单体表面有储能单体正极和储能单体负极，当电流由所述的储能单体负极流向所述的储能单体正极时，储能单体为充电状态，当电流由所述的储能单体正极流向所述的储能单体负极时，所述的储能单体为放电状态；

储能单元由数个储能单体组成时，数个储能单体并联连接，即组成一个储能单元的数个储能单体的储能单体正极用一根导线相连，且与一块正极材料相连做为储能单元正极；组成一个储能单元的数个储能单体的储能单体负极用一根导线相连，且与一块负极材料相连作为储能单元负极；当电流由储能单元负极流向储能单元正极时，储能单元为充电状态，当电流由储能单元正极流向储能单元负极时，所述的储能单元为放电状态；储能单元正极连接有第一开关电路输出接线柱和第二开关电路输入接线柱，储能单元负极连接有第三开关电路输入接线柱和第四开关电路输出接线柱，储能单元正极与第一开关电路输出接线柱、第二开关电路输入接线柱一一对应；储能单元负极与第三开关电路输入接线柱、第四开关电路输出接线柱一一对应。

5.根据权利要求1所述的一种稳定电源，其特征在于：所述的滤波电路与稳定电源输出端的正负极相连，滤波电路由数个并联的电容组成。