CN208969215U - 一种电路实现的模拟电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种电路实现的模拟电源，可以对外充放电、模拟电池故障以及模拟电源内阻；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，第一控制部分、第二控制部分以及负载，本实用新型的模拟电源既能对外充电也可以放电，并且能模拟电源的内阻，能真实的模拟电池的电气特性，通过继电器矩阵开关，可以轻松实现短路、短路、反接等故障模拟，能完美的替代电池(电源)在BMS等领域的故障测试。

Description

一种电路实现的模拟电源

技术领域

本实用新型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(电源或超容)充放电控制管理系统、航空航天等领域，经常需要人为制造一些短路、断路故障，来测试BMS等监控系统对这些异常的响应和处理是否可靠及时，现有技术中对于BMS的测试通常采用的电源是由普通电池(电源)实现的，而使用普通电池(电源)存在以下不足：

1.普通电池安全系数低：在BMS等测试中，在短路或反接等故障时，会有烧坏线路、起火爆炸等风险，严重威胁财产和研发测试人员人身安全；

2.使用普通电池模拟故障时，需要人员去做短接或者开路等接线操作，十分不方便，也不够灵活，效率低；

3.普通电池灵活度不够，电压不可控，无法人为编程，无法适配需要切换各种测试电压的场景，且响应速度和驱动能力也不可控。

实用新型内容

针对普通电池由于其化学特性、物理特性等一些特征属性，无法安全、高效地模拟电源故障，存在无法满足BMS等高要求的测试场景的不足，本电路正是为了解决以上行业痛点，通过一种电路实现模拟电源，能实现充放电，模拟电池电气特性，同时通过一定电路结构轻松实现短路、断路、反接等故障模拟，最终达到完美的替代普通电池在BMS测试中的使用，克服了普通电池安全性、使用寿命、灵活度等问题。

本实用新型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，模拟电源故障，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，第一控制部分、第二控制部分、矩阵开关以及负载。

其中，第一控制部分、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、环路电流回采部分实现模拟电源的对外充电和向里放电，以及模拟电源内阻功能；第二控制部分和矩阵开关实现模拟电源的故障模拟功能。

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，矩阵开关有第一开关、第二开关、第三开关和第四开关组成，第一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，第二控制部分控制矩阵开关中四个开关的开闭。

具体的，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、矩阵开关模块中的第一开关S1和第二开关S2的一端，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，第三电阻R3的一端接地线、第六运算放大器AMP6的一个输入端，第三电阻R3的另一端接第六运算放大器AMP6的另一个输入端、矩阵开关模块中第三开关S3和第四开关S4的一端，第一开关S1的另一端接第三开关S3的另一端、负载正接线端以及第七运算放大器AMP7的一个输入端，第二开关S2的另一端接第四开关S4的另一端、负载负接线端以及第七运算放大器 AMP7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第一控制部分。

具体的，第一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，第二控制部分控制矩阵开关模块中第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4的开闭状态，实现电池短路、开路、反接故障的模拟。

优选的，开关全部断开时，模拟电源开路故障；第一开关S1和第四开关S4闭合，以及第二开关S2和第三开关S3中的一个闭合时，模拟电源短路故障；第一开关S1和第四开关S4断开，第二开关S2和第三开关S3闭合时，模拟电池反接故障。

其中，所述负载是电池、超级电容，或BMS中的至少一种。

具体的，所述模拟电源中的第一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。

本实用新型的有益效果为：本实用新型提供了一种电路实现的模拟电源，既能对外充电也可以放电，并且能模拟电源的内阻，能真实的模拟电池的电气特性，通过继电器矩阵开关，可以轻松实现短路、短路、反接等故障模拟，能完美的替代电池(电源)在BMS等领域的故障测试。

附图说明

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本实用新型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，一般采用电池经过人为的短接、开路、反接等来进行BMS 异常响应测试，以便了解BMS对异常故障时的响应速度和设计对异常的处理机制。目前行业中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。该电路基本可以模拟出电池的充放电特性，以替代普通电池，单无法对负载故障情况进行模拟

本实用新型电路由两大部分组成，前半部分为恒压恒流充放电电路，用于电池的电气特性模拟，基本原理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，通过上下臂两对功率管来实现对外输出电流和往里灌入电流的功能，来实现普通电池的电气特性的模拟。后半部分为故障模拟电路，通过在输出端增加一系列继电器阵列开关，结合第一控制部分和第二控制部分(下位机软件-嵌入式软件)，通过控制矩阵开关的各种组合切换，实现输出短路、开路、反接等故障的模拟。

本实用新型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，由第一控制部分(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)；

S1-S4:继电器开关；

LOAD:模拟电源的负载，比如BMS。

本实用新型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，模拟电源故障，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，第一控制部分、第二控制部分、矩阵开关以及负载。

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，矩阵开关有第一开关、第二开关、第三开关和第四开关组成，第一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，第二控制部分控制矩阵开关中四个开关的开闭。

具体的，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、矩阵开关模块中的第一开关S1和第二开关S2的一端，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，第三电阻R3的一端接地线、第六运算放大器AMP6的一个输入端，第三电阻R3的另一端接第六运算放大器AMP6的另一个输入端、矩阵开关模块中第三开关S3和第四开关S4的一端，第一开关S1的另一端接第三开关S3的另一端、负载正接线端以及第七运算放大器AMP7的一个输入端，第二开关S2的另一端接第四开关S4的另一端、负载负接线端以及第七运算放大器 AMP7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第一控制部分。

具体的，第一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，第二控制部分控制矩阵开关模块中第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4的开闭状态，实现电池短路、开路、反接故障的模拟。

优选的，开关全部断开时，模拟电源开路故障；第一开关S1和第四开关S4闭合，以及第二开关S2和第三开关S3中的一个闭合时，模拟电源短路故障；第一开关S1和第四开关S4断开，第二开关S2和第三开关S3闭合时，模拟电池反接故障。

本实用新型的充放电、模拟内阻、故障模拟的实现，具体如下所述：

(1)充放电的工作原理，用以实现电池电气特性的模拟：

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，并且和第一控制部分输出恒流环的编程电压 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)。

前半部分的充放电电路，不仅能真实模拟电池的充放电特性，还具有高精度、高响应速度、高可靠性的特点，即便短路反接也能保证电路正常工作，不会烧坏。

(2)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，本实用新型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，第一控制部分(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)，那么我们可以通过第一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。

(3)短路、开路、反接等故障模拟电路工作原理：

S1、S2、S3、S4为继电器开关，可通过第二控制部分来控制其断开和闭合，来模拟短路、开路、反接等各种异常故障，图中OUT+为模拟电源的正极输出，OUT-为模拟电源的负极输出。

正常输出：当S1和S4闭合，S2和S3断开，则模拟电源正常输出，此时为模拟电池的正常工作情况；

开路：当S1、S2、S3、S4全部断开，则模拟电源开路输出，即模拟电池被断开的情况，开路还可以只断开一边极性的情况，比如S1闭合,S2、S3、S4断开，模拟的是正极开路，S4闭合,S1、S2、S3断开，则模拟的是电池负极开路；

短路：当S1、S4、S2(或S3)闭合则可以模拟电池短路情况，由于我们前端电路具有恒流限流电路，此时即便是短路电流也能限制在一定范围，能保证本电源或整个回路的线路及BMS都不会被烧坏；

极性反接：当S1、S4断开，S2、S3闭合则模拟的是电池反接。

该电路的前半部分的可靠的双极性充放电电路和后端的高效灵活的矩阵开关电路有机组合，通过电路实现了电池的电气特性模拟，还实现了整个BMS测试的开路、短路、反接等故障模拟，完美的替代传统电池在BMS等测试领域的使用，轻松实现各种故障模拟的测试。

虽然上面已经参考实施例描述了本实用新型，但是应当理解，在不脱离本实用新型的范围的情况下，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)旨在限定本实用新型的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的保护范围。在阅读了本实用新型的记载的内容之后，技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本实用新型权利要求所限定的范围。

Claims (6)

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，模拟电源故障，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，第一控制部分、第二控制部分、矩阵开关以及负载。

2.根据权利要求1所述的模拟电源，其特征在于：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，矩阵开关有第一开关、第二开关、第三开关和第四开关组成，第一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，第二控制部分控制矩阵开关中四个开关的开闭。

3.根据权利要求2所述的模拟电源，其特征在于：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、矩阵开关模块中的第一开关S1和第二开关S2的一端，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，第三电阻R3的一端接地线、第六运算放大器AMP6的一个输入端，第三电阻R3的另一端接第六运算放大器AMP6的另一个输入端、矩阵开关模块中第三开关S3和第四开关S4的一端，第一开关S1的另一端接第三开关S3的另一端、负载正接线端以及第七运算放大器AMP7的一个输入端，第二开关S2的另一端接第四开关S4的另一端、负载负接线端以及第七运算放大器AMP7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第一控制部分。

4.根据权利要求3所述的模拟电源，其特征在于：第一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，第二控制部分控制矩阵开关模块中第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4的开闭状态，实现电池短路、开路、反接故障的模拟。

5.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。

6.根据权利要求1所述的模拟电源，其特征在于：所述模拟电源中的第一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。