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Datron 4910固态电压基准的电源原理与锂电替换

时间:2012-10-09  来源:38hot  作者:lymex

12V稳压部分


调整管Q402用的是P沟道的IRF9531,-60V、-12A、0.3欧,-6V可以很好的导通,-1V不导通(增强型),这样,输出是反向的、带放大的,同时也是低压差的。控制部分U402采用了LP2951,这个东西类似TL431,但7脚为1.235V控制,当7脚和4脚地的电压低于1.235V,就造成1脚输出上升,典型电路:


但是,4910里把输出1脚接了个负载电阻(2k)到地,同时8脚电源上也接了个更大的10k电阻,这样一来,一旦7脚电压低过1.235V,1脚就有输出并耗电,8脚电压就下降,造成Q402更加导通,因此输出就上升了,维持7脚电压不变。而Q402的内阻很低,这样就构成一个很好的低压差12V稳压电路,静态电流只有0.2mA(其中,R407为0.15mA、R410为0.05mA),可见Datron的设计者是下了功夫的。
由于后备电源要坚持168小时,这样就要求总电流不大于2000/168=12mA,因此各环节必须要省电设计。那种采用成品的12V LDO稳压IC是不行的,比如LM2940-12V静态电流本身就有10mA!
输出电压计算:Vout=1.235*(200k/22.6k+1)=12.16V

当然,LDO的弱点就不容易稳定,因为多了一级放大,相移环节多了、环路倍数也比较大。替代方案

锂电,具有来源广泛、容量大、寿命长、自放电超低的优势,因此才考虑用锂电替代原来不易找到的铅酸。当然,锂电也有一定的危险,所以电路上要小心行事。

替代方法一:4节锂电串联
常见的锂电有2节封装在一起的7.4V的,需要这样的2组也就是4节串联,这样标称14.4V,充满最高16.8V,放电结束电压大约是13V。
由于4910的稳压输出是12V,稳压部分是LDO,输入低至12.4V也可以工作,因此用4节锂电很合适,等价最低放电电压12.4/4=3.1V,这样锂电的电量可以充分放光。

从容量上看,原来的铅酸电池是2Ah的铅酸,可以掉电用9小时(25度),或者运输保持7天:


而现在的18650的锂电至少都是2Ah的,因此容量相当。不过由于电压偏低,会造成LTZ1000加热电流在相同温度条件下变大,所以可能会缩短运行时间,因此有条件时可以选择2.4Ah的,以保证原来的技术指标。当然,选择2Ah的也没有任何问题,只是维持时间稍短而已。


从电路原理上看,4910的稳压部分不需要做任何调整。唯一担心的是,4910直接从电池上取了电(S601/h12),标明+18V,而且在开关后面也取了电(g8),标明Vh,需要近一步跟踪,以便确认在锂电的较低压下也能工作,或找到限制。

开关部分,必须调整,以便在13V下才关断,而不是在16V(或者计算的14.4V)下关断。调整很简单,把电阻R412改小就可以,替换成73k的,就可以把开关电压设置到13.0V。具体调整要试验决定:在输入端接上可调稳压电源设置到13V,调节R412让Q401工作在开关的临界点上就可以。

充电部分是否调整的问题,Jambalaya给出了一个建议:不调整,在电池上加装LDO和一个肖特基管。这样做法,可以不动原来的电路,但比较复杂,同时二极管的引入降低了本来就比较低的锂电电压。
所以我的意见也还是要调整,因为很简单,只要把R403换成20k就可以了,这样输出调整的上下限是16.6V和21.2V,既可以兼顾锂电,有可以在必要的时候调节回去。
换完以后,调整R424,让输出为17.0V即可。这样通过D402后的最高充电电压为16.4V,分配给每节锂电为4.1V,留有一定余量。对锂电以4.1V长期浮充电不会有任何问题,锂电都是所谓充满自停的,到最后充电电流极小,只有10uA级别,等价为锂电的自放电电流。


总之,电路中需要改动的,就是上一帖中两部分电路图中红圈内的电阻。
替代方法二:5节锂电串联

5节锂电,充满4.2*5=21V,与4910的标称充电电压20V比较接近,直接代用的话等于每节锂电平均有4.0V的充电电压,考虑到串联的不完全平衡性,并保留一定的余量,可以不进行任何修改,直接替换。好处是简单方便,但由于充电电压略低达不到额定容量。下图是Ae替代grn的4910,就是用了5节18650一组的直接替代,剩余空间比较大。

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