一種用于重力測量的不間斷電源電路的制作方法

本發明涉及一種用于重力測量的不間斷電源電路，屬于電源設計領域。

背景技術：

重力場的精確模型可以應用在很多領域。在導航領域，分辨率為10～50km的全球重力場模型可用來改進導航衛星的運行軌道，而分辨率為1～1Okm的重力場數據可以改善慣導系統的導航性能。在科學研究領域，地球重力場數據不僅用于大地測量、地球物理，而且廣泛用于地球動力學、地質學和海洋學研究。地球物理學家需要分辨率為10～100km,精確到1～5mGal的平均重力矢量，用于研究巖石圈結構、地慢構成，監測大氣層變暖等現象。海洋學家需要分辨率為50～500km、精確到O.1mGal的重力場數據，用于研究海面地形等。石油物探則需要更精細的地球重力場信息(分辨率為1～1Okm,精度為0.5～1mGal)。

重力數據早期主要是靜態領域的運用，隨著應用領域擴展到海洋和航空，動態重力測量越來越重要。由于動態重力測量作業時間長，對供電系統的可靠性有很高的要求。高精度的動態重力測量是一種國際國內的先進技術，外部設備多，系統復雜，在作業的過程中有斷電的情況。所以需要一種集成多種功能的電源設備，既能在常規情況下工作，也能應對電源的中斷。

對于重力測量中用到的不同種類的電源之間的切換方式，以往采用的方式是用軟件的方法控制每種電源的切換，由于受到軟件判斷過程和器件切換的時延，切換時間不是最短的。并且對電源的采樣受到電源的電壓值大小的影響，有時不能做出準確判斷。實驗證明切換有一定失誤，需要更加可靠的電路方案。

通常不間斷供電的電源就是UPS電源。普通的UPS只是交流220V和電池之間的切換，電池的充電也依賴于交流電。這樣的UPS還不能滿足重力測量的需要，如何設置一種符合重力測量系統需求的電源，是本領域亟待解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種用于重力測量的不間斷電源電路，增加了UPS設備的功能，集成的設備尺寸更小，重量更輕，便于外場試驗。

本發明目的通過如下技術方案予以實現：

提供一種用于供電系統管理的電路，包括交流輸入轉換模塊、直流輸入轉換模塊、電池單元、充電控制模塊、放電控制模塊、切換控制模塊和輸出轉換模塊；

所述交流輸入轉換模塊接入交流電并轉換為直流電后發送至切換控制模塊；

所述直流輸入轉換模塊接入直流電并進行調壓后發送至切換控制模塊；

所述充電控制模塊檢測電池單元兩端的電壓，當電壓低于充電閾值時，選擇所述交流輸入轉換模塊和直流輸入轉換模塊中電壓較高的一路作為充電電源為電池單元充電；

放電控制模塊采集電池單元兩端的電壓，當該電壓低于放電閾值時，控制電池單元停止放電，當該電壓高于或等于閾值時，輸出電池單元電壓至所述切換控制模塊；

所述切換控制模塊選擇所述交流輸入轉換模塊、直流輸入轉換模塊和放電控制模塊三者中輸出電壓最高的作為一路作為供電電源，并將供電電源發送到輸出轉換模塊；

輸出轉換模塊將供電電源的電壓調整至所需大小并輸出至負載。

優選的，所述切換控制模塊包括第一二極管Z1，第二二極管Z2，第三二極管Z3；第一二極管Z1的正極連接所述交流輸入轉換模塊，第二二極管Z2的正極連接所述直流輸入轉換模塊，第三二極管Z3的正極連接所述放電控制模塊；三個二極管的負極相連，并連接輸出轉換模塊。

優選的，還包括關斷電路，當充電控制模塊處于為電池單元充電狀態時，關斷電路輸出關斷信號(GATE2)，將放電控制模塊的輸出關斷。

優選的，還包括浮充電電壓調整電路，電池單元的輸出電壓經電阻R37和R42分壓后與參考電壓REF比較，如果高于參考電壓REF，則輸出低電平至所述交流輸入轉換模塊的輸出調節端，降低交流輸入轉換模塊的輸出電壓，并輸出低電平至所述直流輸入轉換模塊的輸出調節端，降低所述直流輸入轉換模塊的輸出電壓；如果低于參考電壓REF，則輸出高電平至所述交流輸入轉換模塊的輸出調節端，升高交流輸入轉換模塊的輸出電壓，并輸出高電平至所述直流輸入轉換模塊的輸出調節端，升高所述直流輸入轉換模塊的輸出電壓。

優選的，充電閾值為27.6V，放電閾值為21.6V，參考電壓REF為設定的固定值。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

(1)本發明的不間斷電源電路，同時設置了交流電、直流電和電池三種供電模塊，適應多種場合的需求。本發明利用交流電和直流電為電池單元充電，保證了不同場合下，電池的充電得到保證。

(2)本發明的切換電路，簡單可靠，實現了三個模塊的無縫切換，滿足負載供電要求，保證了供電的連續性。

(3)本發明設置關斷電路，降低了電池的工作時長，提高了電池的使用壽命。

(4)本發明設置浮充電電壓調整電路，通過電池單元的輸出電壓反過來控制充電電壓，保證了充電電壓穩定在適當的范圍，保證電池充電的安全性。

附圖說明

圖1本發明的總體功能框圖；

圖2本發明的交流輸入轉換模塊電路圖；

圖3本發明的交流輸入轉換模塊電路圖；

圖4本發明的切換電路圖；

圖5本發明的充放電電路圖；

圖6本發明關斷電路電路圖；

圖7本發明浮充電電壓調整電路電路圖。

具體實施方式

(1)總體功能

該供電系統管理電路具備交流以及直流兩種外部輸入接口，由用戶根據外部條件選擇接通其中一個輸入接口；供電系統管理電路總體功能框如圖1所示。重力測量的供電系統管理的電路，包括交流輸入轉換模塊ACDC、直流輸入轉換模塊DCDC、電池單元、充電控制模塊、放電控制模塊、切換控制模塊和輸出轉換模塊DCDC；交流輸入轉換模塊接入交流電并轉換為直流電后發送至切換控制模塊；直流輸入轉換模塊接入直流電并進行DCDC調壓后發送至切換控制模塊；充電控制模塊檢測電池單元兩端的電壓，當電壓低于充電閾值時，選擇所述交流輸入轉換模塊和直流輸入轉換模塊中電壓較高的一路作為充電電源為電池單元充電；放電控制模塊采集電池單元兩端的電壓，當該電壓低于放電閾值時，控制電池單元停止放電，當該電壓高于或等于閾值時，輸出電池單元電壓至所述切換控制模塊；所述切換控制模塊選擇所述交流輸入轉換模塊、直流輸入轉換模塊和放電控制模塊三者中輸出電壓最高的作為一路作為供電電源，并將供電電源發送到輸出轉換模塊；輸出轉換模塊將供電電源的電壓調整至所需大小并輸出至負載。

(2)電源種類的轉換

該供電系統管理電路通過開關電源模塊實現不同電壓品種的轉換。本系統選擇的DCDC開關電源輸入電壓18-36V，滿足了絕大部分的直流供電場合。一般情況下輸出的電壓恒定的28.5V，而電池恒壓充電時，充電電壓必須大于電池電壓。在28V電壓附近的標準電池的規格是24V，正好滿足給電池恒壓充電的條件。開關電源的缺點是輸出的紋波和噪聲電壓較大，一般為輸出電壓的1％左右。電池充電不需要高穩定的電壓，反而是有一定的波動對激活電池內的電解液有益處。但是我們的高精度動態重力測量系統則希望供電電壓很純凈。由于開關電源其本身為功率變換部分的集成，所以不附帶有高效濾波電路和其它特性電路，因而設計了輸入和輸出的濾波電路。

圖2中ACDC轉換電路中電阻R1兩端接入交流電；電阻R1、R2、R10、R11，電容CY3、CY4、CX1、CX2，電感LF2、LF3共同組成交流輸入電源的濾波；三極管Q4，電阻R22、R23、R24、R27、R30、R31、R33，電容C6、C7構成模塊的使能控制和輸出電壓的微調。當電池沒有充滿電時，ADJA是高電平，這時Q4導通，R33右端相當于接-VOA，R33和R22并聯后再與R27串聯，并聯電阻兩端的電壓輸入到U2的8引腳；當電池充滿時ADJA是低電平，Q4關斷，R27和R22串聯，R22兩端的電壓輸入到U2的8引腳，此時相比較當電池沒有充滿電時8引腳的電壓升高了，U2的輸出11引腳電壓變低；BASE通過JP1接金屬外殼；電阻R19、R20有補償輸出電壓的作用；電容E9、E11、E12、C15并聯在輸出電壓的兩極，有濾波平滑的作用。

(3)電壓幅值的調節

該供電系統管理電路也是通過開關電源模塊實現直流電壓幅值的調節。在搭載的飛機或艦船上直流供電輸入的范圍有不確定性，往往低于或者高于要求的輸入范圍，所以一級的DCDC先進行初次電源轉換。圖3中的DCDC轉換電路中的電容C1、CY1、CY2、E1、E2、E3，電感LF1共同組成直流輸入電源的濾波；三極管Q3，電阻R18、R25、R26、R29、R32，電容C13構成模塊的輸出電壓調節；當電池沒有充滿電時，ADJB是高電平，這時Q3導通，R32右端相當于接-VOB，R32和R29并聯后的分壓輸入到U3的8引腳；當電池充滿時ADJB是低電平，Q3關斷，R29兩端的電壓輸入到U3的8引腳，此時相比較當電池沒有充滿電時8引腳的電壓升高了，U3的輸出11引腳電壓變低；BASE接金屬外殼；電容E7、E8、E10同樣是起到濾波平滑的作用。

(4)無縫切換

當外部輸入供電(交流或直流)切斷瞬間，內部的蓄電池自動提供電能；當外部輸入為交流時，外部交流輸入經過電壓轉換輸出28.5VDC，同時對蓄電池充電；當外部輸入為直流時，外部直流輸入也經過電壓轉換輸出28.5VDC，同時對蓄電池充電；無縫切換是采用三路直流電壓的并聯來實現，即ACDC的輸出、DCDC的輸出和電池并聯。這種方式不需要設計復雜的檢測判斷電路，只增加了一個DCDC模塊，純粹使用模擬電路的方法實現電源的自動切換，簡單可靠，通過實際驗證完全可行。

圖4所示發熱無縫切換電路是采用三路直流電壓的并聯來實現，三路電源輸出各串聯一個二極管Z1、Z2和Z3，利用二極管的單向導通特性，防止幾路電源互相影響。第一二極管Z1，第二二極管Z2，第三二極管Z3；第一二極管Z1的正極連接所述交流輸入轉換模塊，第二二極管Z2的正極連接所述直流輸入轉換模塊，第三二極管Z3的正極連接所述放電控制模塊；三個二極管的負極相連。輸出端電容COUT可以為二極管切換過程中提供能量。根據電容的電荷公式Q＝CU，即電荷Q等于電容量C和兩端電壓U的乘積，而電荷Q可通過Q＝It來估算，電流值I為負載電流，這里為3.5A，t為二極管切換的延遲時間，這里為140ns，計算得出C＝17.5nF。可見由于二極管的開關速度非常快，只需要很小的輸出電容就能滿足中間中斷的間隙，實現零秒切換。實際中使用的電容是微法級的，遠大于納法的電容，完全滿足零秒切換的要求。該電路可能存在的情況有：三路同時供電、只有兩路通電和只有一路通電。三種同時供電的情況下，由于標稱的電池電壓最高不超過28.5V，三路競爭，高電壓的優先工作，那么電池不對外輸出電能，交流和直流兩路同時提供電能。外部提供交流或者直流一種電能時，若此時電池接入系統，外部電源也優先工作，外部電源斷掉后，接電池的二極管開啟，繼續對外部供電。只有一種供電輸入的情況下，系統內部只有開關電源在工作，只起到電源轉換的功能。

(5)電池管理措施

電池管理部分包括電量檢測、充電控制、放電控制。電池作為能源儲備，有充放電控制的功能。根據檢測到的電池電量，決策是否充電或放電。電量檢測采用測電池兩端電壓的方式來判斷電量的多少。這種電量檢測受到負載電流和電阻的影響，有一定誤差，但是這種檢測方式簡單易行，實時性好，只需要很少的器件就可以完成。電池的充電采用階段式充電策略，在電池虧電嚴重時充電電流較大，電池電壓上升到一定數值后充電電壓和電流都減小，最終變為浮充方式。放電控制則設定了一個電壓點，低于該值則切斷電池，防止過度放電影響電池使用壽命。充放電管理：充電過程有過充保護，放電過程有過放保護(過放保護點21.6V)；

圖5所示電池充放電電路由充電管理芯片U1、U2和功率MOS管Q1、Q2來共同完成，簡單易行。設定電池電壓大于28.5V時停止充電，防止充電過飽電池電壓小于21.6V時停止放電。充電電路部分的R3、R4和R5組成電壓采樣端，R6、R7限制充電電流大小，U1給出門級控制信號使Q1開啟或者切斷；同理，R13、R14、R15組成電壓采樣端，R16、R17限制放電電流大小，Q2控制電池是否放電。

(6)關斷電路

Q1和Q2的門極GATE1和GATE2同時還受到其他邏輯電路的控制。當充電控制模塊處于為電池單元充電狀態時，充電控制信號(GATE1)為1，關斷電路輸出關斷信號(GATE2)，將放電控制模塊的輸出關斷。也就是充電的過程中，電池不對外放電。圖6給出的控制邏輯使得放電和充電具有相反的邏輯。

(7)浮充電電壓調整電路

圖7中用電壓比較器使得電池兩端電壓VOUT與參考電壓REF比較，若VOUT的分壓小于參考電壓REF，則ADJA和ADJB是高電平，反過來若VOUT的分壓大于參考電壓REF，則ADJA和ADJB是低電平；ADJA和ADJB輸出到圖3和圖2中的Q3和Q4的控制端，當電池基本上滿電量時，Q3和Q4關斷，使得U2和U3的輸出電壓變小，電池充電變為浮充。

(8)安全措施：UPS電源裝置還設計有輸出過壓、過流、短路、過熱保護，這些電路對主體電路功能沒有影響，在某些異常情況下工作，作為安全保護措施。

過溫控制則是采用溫度開關作溫度傳感器，貼在電池外殼上，判斷電池是否過熱，一旦達到設定的溫度上限就控制充電控制模塊和放電控制模塊切斷電池的充放電。

(9)輔助功能：輔助功能包括人工操作的開關切換端口和電池電量實時顯示的端口。LCD顯示輸出電流，指示燈指示工作狀態，指示內容包括：外部交流輸入是否工作，外部直流輸入是否工作，蓄電池當前電量(4盞綠燈均亮表示滿格，3盞均亮表示剩余電量75％，依此類推)，蓄電池是否輸出工作。電池電量指示則是用檢測到的電壓與參考電壓比較，高于標準值則對應的指示燈量。電量指示燈共有四個，電壓比較器也是四個。

由于體積小，有效散熱面積小，局部發熱多，影響開關電源的壽命，故要特別考慮交流輸入轉換模塊和直流輸入轉換模塊的散熱設計。這里采用的辦法是將交流輸入轉換模塊和直流輸入轉換模塊安裝在大的金屬板上散熱，金屬板與外殼接觸，將熱量引導到設備外部，同時外殼上安裝有風扇，在長時間工作后或者環境溫度比較高的環境中進一步減少熱量的集中。

本發明重力測量的供電系統管理的電路，把直流供電電源也集成進去，直流電源同時也能給電池充電。優良的集成技術減少了外圍設備的數量，極大地減小了外圍重力測量系統的體積和重量。

以上所述，僅為本發明最佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員的公知技術。