一种用于重力测量的不间断电源电路的制作方法

本发明涉及一种用于重力测量的不间断电源电路，属于电源设计领域。

背景技术：

重力场的精确模型可以应用在很多领域。在导航领域，分辨率为10～50km的全球重力场模型可用来改进导航卫星的运行轨道，而分辨率为1～1Okm的重力场数据可以改善惯导系统的导航性能。在科学研究领域，地球重力场数据不仅用于大地测量、地球物理，而且广泛用于地球动力学、地质学和海洋学研究。地球物理学家需要分辨率为10～100km,精确到1～5mGal的平均重力矢量，用于研究岩石圈结构、地慢构成，监测大气层变暖等现象。海洋学家需要分辨率为50～500km、精确到O.1mGal的重力场数据，用于研究海面地形等。石油物探则需要更精细的地球重力场信息(分辨率为1～1Okm,精度为0.5～1mGal)。

重力数据早期主要是静态领域的运用，随着应用领域扩展到海洋和航空，动态重力测量越来越重要。由于动态重力测量作业时间长，对供电系统的可靠性有很高的要求。高精度的动态重力测量是一种国际国内的先进技术，外部设备多，系统复杂，在作业的过程中有断电的情况。所以需要一种集成多种功能的电源设备，既能在常规情况下工作，也能应对电源的中断。

对于重力测量中用到的不同种类的电源之间的切换方式，以往采用的方式是用软件的方法控制每种电源的切换，由于受到软件判断过程和器件切换的时延，切换时间不是最短的。并且对电源的采样受到电源的电压值大小的影响，有时不能做出准确判断。实验证明切换有一定失误，需要更加可靠的电路方案。

通常不间断供电的电源就是UPS电源。普通的UPS只是交流220V和电池之间的切换，电池的充电也依赖于交流电。这样的UPS还不能满足重力测量的需要，如何设置一种符合重力测量系统需求的电源，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于重力测量的不间断电源电路，增加了UPS设备的功能，集成的设备尺寸更小，重量更轻，便于外场试验。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种用于供电系统管理的电路，包括交流输入转换模块、直流输入转换模块、电池单元、充电控制模块、放电控制模块、切换控制模块和输出转换模块；

所述交流输入转换模块接入交流电并转换为直流电后发送至切换控制模块；

所述直流输入转换模块接入直流电并进行调压后发送至切换控制模块；

所述充电控制模块检测电池单元两端的电压，当电压低于充电阈值时，选择所述交流输入转换模块和直流输入转换模块中电压较高的一路作为充电电源为电池单元充电；

放电控制模块采集电池单元两端的电压，当该电压低于放电阈值时，控制电池单元停止放电，当该电压高于或等于阈值时，输出电池单元电压至所述切换控制模块；

所述切换控制模块选择所述交流输入转换模块、直流输入转换模块和放电控制模块三者中输出电压最高的作为一路作为供电电源，并将供电电源发送到输出转换模块；

输出转换模块将供电电源的电压调整至所需大小并输出至负载。

优选的，所述切换控制模块包括第一二极管Z1，第二二极管Z2，第三二极管Z3；第一二极管Z1的正极连接所述交流输入转换模块，第二二极管Z2的正极连接所述直流输入转换模块，第三二极管Z3的正极连接所述放电控制模块；三个二极管的负极相连，并连接输出转换模块。

优选的，还包括关断电路，当充电控制模块处于为电池单元充电状态时，关断电路输出关断信号(GATE2)，将放电控制模块的输出关断。

优选的，还包括浮充电电压调整电路，电池单元的输出电压经电阻R37和R42分压后与参考电压REF比较，如果高于参考电压REF，则输出低电平至所述交流输入转换模块的输出调节端，降低交流输入转换模块的输出电压，并输出低电平至所述直流输入转换模块的输出调节端，降低所述直流输入转换模块的输出电压；如果低于参考电压REF，则输出高电平至所述交流输入转换模块的输出调节端，升高交流输入转换模块的输出电压，并输出高电平至所述直流输入转换模块的输出调节端，升高所述直流输入转换模块的输出电压。

优选的，充电阈值为27.6V，放电阈值为21.6V，参考电压REF为设定的固定值。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明的不间断电源电路，同时设置了交流电、直流电和电池三种供电模块，适应多种场合的需求。本发明利用交流电和直流电为电池单元充电，保证了不同场合下，电池的充电得到保证。

(2)本发明的切换电路，简单可靠，实现了三个模块的无缝切换，满足负载供电要求，保证了供电的连续性。

(3)本发明设置关断电路，降低了电池的工作时长，提高了电池的使用寿命。

(4)本发明设置浮充电电压调整电路，通过电池单元的输出电压反过来控制充电电压，保证了充电电压稳定在适当的范围，保证电池充电的安全性。

附图说明

图1本发明的总体功能框图；

图2本发明的交流输入转换模块电路图；

图3本发明的交流输入转换模块电路图；

图4本发明的切换电路图；

图5本发明的充放电电路图；

图6本发明关断电路电路图；

图7本发明浮充电电压调整电路电路图。

具体实施方式

(1)总体功能

该供电系统管理电路具备交流以及直流两种外部输入接口，由用户根据外部条件选择接通其中一个输入接口；供电系统管理电路总体功能框如图1所示。重力测量的供电系统管理的电路，包括交流输入转换模块ACDC、直流输入转换模块DCDC、电池单元、充电控制模块、放电控制模块、切换控制模块和输出转换模块DCDC；交流输入转换模块接入交流电并转换为直流电后发送至切换控制模块；直流输入转换模块接入直流电并进行DCDC调压后发送至切换控制模块；充电控制模块检测电池单元两端的电压，当电压低于充电阈值时，选择所述交流输入转换模块和直流输入转换模块中电压较高的一路作为充电电源为电池单元充电；放电控制模块采集电池单元两端的电压，当该电压低于放电阈值时，控制电池单元停止放电，当该电压高于或等于阈值时，输出电池单元电压至所述切换控制模块；所述切换控制模块选择所述交流输入转换模块、直流输入转换模块和放电控制模块三者中输出电压最高的作为一路作为供电电源，并将供电电源发送到输出转换模块；输出转换模块将供电电源的电压调整至所需大小并输出至负载。

(2)电源种类的转换

该供电系统管理电路通过开关电源模块实现不同电压品种的转换。本系统选择的DCDC开关电源输入电压18-36V，满足了绝大部分的直流供电场合。一般情况下输出的电压恒定的28.5V，而电池恒压充电时，充电电压必须大于电池电压。在28V电压附近的标准电池的规格是24V，正好满足给电池恒压充电的条件。开关电源的缺点是输出的纹波和噪声电压较大，一般为输出电压的1％左右。电池充电不需要高稳定的电压，反而是有一定的波动对激活电池内的电解液有益处。但是我们的高精度动态重力测量系统则希望供电电压很纯净。由于开关电源其本身为功率变换部分的集成，所以不附带有高效滤波电路和其它特性电路，因而设计了输入和输出的滤波电路。

图2中ACDC转换电路中电阻R1两端接入交流电；电阻R1、R2、R10、R11，电容CY3、CY4、CX1、CX2，电感LF2、LF3共同组成交流输入电源的滤波；三极管Q4，电阻R22、R23、R24、R27、R30、R31、R33，电容C6、C7构成模块的使能控制和输出电压的微调。当电池没有充满电时，ADJA是高电平，这时Q4导通，R33右端相当于接-VOA，R33和R22并联后再与R27串联，并联电阻两端的电压输入到U2的8引脚；当电池充满时ADJA是低电平，Q4关断，R27和R22串联，R22两端的电压输入到U2的8引脚，此时相比较当电池没有充满电时8引脚的电压升高了，U2的输出11引脚电压变低；BASE通过JP1接金属外壳；电阻R19、R20有补偿输出电压的作用；电容E9、E11、E12、C15并联在输出电压的两极，有滤波平滑的作用。

(3)电压幅值的调节

该供电系统管理电路也是通过开关电源模块实现直流电压幅值的调节。在搭载的飞机或舰船上直流供电输入的范围有不确定性，往往低于或者高于要求的输入范围，所以一级的DCDC先进行初次电源转换。图3中的DCDC转换电路中的电容C1、CY1、CY2、E1、E2、E3，电感LF1共同组成直流输入电源的滤波；三极管Q3，电阻R18、R25、R26、R29、R32，电容C13构成模块的输出电压调节；当电池没有充满电时，ADJB是高电平，这时Q3导通，R32右端相当于接-VOB，R32和R29并联后的分压输入到U3的8引脚；当电池充满时ADJB是低电平，Q3关断，R29两端的电压输入到U3的8引脚，此时相比较当电池没有充满电时8引脚的电压升高了，U3的输出11引脚电压变低；BASE接金属外壳；电容E7、E8、E10同样是起到滤波平滑的作用。

(4)无缝切换

当外部输入供电(交流或直流)切断瞬间，内部的蓄电池自动提供电能；当外部输入为交流时，外部交流输入经过电压转换输出28.5VDC，同时对蓄电池充电；当外部输入为直流时，外部直流输入也经过电压转换输出28.5VDC，同时对蓄电池充电；无缝切换是采用三路直流电压的并联来实现，即ACDC的输出、DCDC的输出和电池并联。这种方式不需要设计复杂的检测判断电路，只增加了一个DCDC模块，纯粹使用模拟电路的方法实现电源的自动切换，简单可靠，通过实际验证完全可行。

图4所示发热无缝切换电路是采用三路直流电压的并联来实现，三路电源输出各串联一个二极管Z1、Z2和Z3，利用二极管的单向导通特性，防止几路电源互相影响。第一二极管Z1，第二二极管Z2，第三二极管Z3；第一二极管Z1的正极连接所述交流输入转换模块，第二二极管Z2的正极连接所述直流输入转换模块，第三二极管Z3的正极连接所述放电控制模块；三个二极管的负极相连。输出端电容COUT可以为二极管切换过程中提供能量。根据电容的电荷公式Q＝CU，即电荷Q等于电容量C和两端电压U的乘积，而电荷Q可通过Q＝It来估算，电流值I为负载电流，这里为3.5A，t为二极管切换的延迟时间，这里为140ns，计算得出C＝17.5nF。可见由于二极管的开关速度非常快，只需要很小的输出电容就能满足中间中断的间隙，实现零秒切换。实际中使用的电容是微法级的，远大于纳法的电容，完全满足零秒切换的要求。该电路可能存在的情况有：三路同时供电、只有两路通电和只有一路通电。三种同时供电的情况下，由于标称的电池电压最高不超过28.5V，三路竞争，高电压的优先工作，那么电池不对外输出电能，交流和直流两路同时提供电能。外部提供交流或者直流一种电能时，若此时电池接入系统，外部电源也优先工作，外部电源断掉后，接电池的二极管开启，继续对外部供电。只有一种供电输入的情况下，系统内部只有开关电源在工作，只起到电源转换的功能。

(5)电池管理措施

电池管理部分包括电量检测、充电控制、放电控制。电池作为能源储备，有充放电控制的功能。根据检测到的电池电量，决策是否充电或放电。电量检测采用测电池两端电压的方式来判断电量的多少。这种电量检测受到负载电流和电阻的影响，有一定误差，但是这种检测方式简单易行，实时性好，只需要很少的器件就可以完成。电池的充电采用阶段式充电策略，在电池亏电严重时充电电流较大，电池电压上升到一定数值后充电电压和电流都减小，最终变为浮充方式。放电控制则设定了一个电压点，低于该值则切断电池，防止过度放电影响电池使用寿命。充放电管理：充电过程有过充保护，放电过程有过放保护(过放保护点21.6V)；

图5所示电池充放电电路由充电管理芯片U1、U2和功率MOS管Q1、Q2来共同完成，简单易行。设定电池电压大于28.5V时停止充电，防止充电过饱电池电压小于21.6V时停止放电。充电电路部分的R3、R4和R5组成电压采样端，R6、R7限制充电电流大小，U1给出门级控制信号使Q1开启或者切断；同理，R13、R14、R15组成电压采样端，R16、R17限制放电电流大小，Q2控制电池是否放电。

(6)关断电路

Q1和Q2的门极GATE1和GATE2同时还受到其他逻辑电路的控制。当充电控制模块处于为电池单元充电状态时，充电控制信号(GATE1)为1，关断电路输出关断信号(GATE2)，将放电控制模块的输出关断。也就是充电的过程中，电池不对外放电。图6给出的控制逻辑使得放电和充电具有相反的逻辑。

(7)浮充电电压调整电路

图7中用电压比较器使得电池两端电压VOUT与参考电压REF比较，若VOUT的分压小于参考电压REF，则ADJA和ADJB是高电平，反过来若VOUT的分压大于参考电压REF，则ADJA和ADJB是低电平；ADJA和ADJB输出到图3和图2中的Q3和Q4的控制端，当电池基本上满电量时，Q3和Q4关断，使得U2和U3的输出电压变小，电池充电变为浮充。

(8)安全措施：UPS电源装置还设计有输出过压、过流、短路、过热保护，这些电路对主体电路功能没有影响，在某些异常情况下工作，作为安全保护措施。

过温控制则是采用温度开关作温度传感器，贴在电池外壳上，判断电池是否过热，一旦达到设定的温度上限就控制充电控制模块和放电控制模块切断电池的充放电。

(9)辅助功能：辅助功能包括人工操作的开关切换端口和电池电量实时显示的端口。LCD显示输出电流，指示灯指示工作状态，指示内容包括：外部交流输入是否工作，外部直流输入是否工作，蓄电池当前电量(4盏绿灯均亮表示满格，3盏均亮表示剩余电量75％，依此类推)，蓄电池是否输出工作。电池电量指示则是用检测到的电压与参考电压比较，高于标准值则对应的指示灯量。电量指示灯共有四个，电压比较器也是四个。

由于体积小，有效散热面积小，局部发热多，影响开关电源的寿命，故要特别考虑交流输入转换模块和直流输入转换模块的散热设计。这里采用的办法是将交流输入转换模块和直流输入转换模块安装在大的金属板上散热，金属板与外壳接触，将热量引导到设备外部，同时外壳上安装有风扇，在长时间工作后或者环境温度比较高的环境中进一步减少热量的集中。

本发明重力测量的供电系统管理的电路，把直流供电电源也集成进去，直流电源同时也能给电池充电。优良的集成技术减少了外围设备的数量，极大地减小了外围重力测量系统的体积和重量。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。