CN217037029U - 一种可远程控制高精度可编程电源装置 - Google Patents

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傅子懿
魏建聪
岳奕松
林浩然
邹光辉
陈国平
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Abstract

本实用新型请求保护一种可远程控制高精度可编程电源装置，属于电源装置技术领域，其包括：一箱体，所述箱体内设置有控制模块、电源输出接口、显示屏、数字隔离模块、信号处理模块、电源执行模块、AC‑DC模块及电源总开关，所述控制模块分别与电源输出接口、显示屏、数字隔离模块、信号处理模块、电源执行模块、AC‑DC模块及电源总开关相连接。本实用新型提供一种能满足各种场景下各类精密电子设备供电需求的电源装置，本实用新型涉及高精度、低纹波直流稳压电源的设计与实现，开源嵌入式实时操作***FreeRTOS的移植以及基于SCPI远程控制电源的实现。

Description

一种可远程控制高精度可编程电源装置
技术领域
本实用新型属于电源装置技术领域，具体是一种可编程电源装置。
背景技术
部分设备的用电要求不是市电，需要通过电源设备将市电转化为一定电压的直流电供给。传统老式电源装置采用机械旋钮及机械按键设置输出参数，这种设计不但易于磨损、损坏，同时设置值不精准，无法给用户带来较好的使用体验。精密电子设备(如高速ADC、高速DAC和主频较高的数字电路模块等)对电源质量有较高的要求，需要低噪声低纹波的电源装置为其供电才能保持正常工作。
目前市面上的数字电源软件***大部分没有基于嵌入式实时操作***，导致电源***的实时性较差，响应速度较慢，无法真正地高效利用CPU资源。当电源设备工作地点为充满有毒气体等危险空间或者狭小难以操作的空间时，用户对电源的操控就受到了极大限制，基于SCPI实现的远程控制可以很好的解决这一问题。
实用新型内容
本实用新型旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种可远程控制高精度可编程电源装置。本实用新型的技术方案如下：
一种可远程控制高精度可编程电源装置，其包括：一箱体，所述箱体内设置有控制模块、电源输出接口、显示屏、数字隔离模块、信号处理模块、电源执行模块、AC-DC模块及电源总开关，所述控制模块分别与显示屏、数字隔离模块、信号处理模块、电源执行模块相连接，其中控制模块用于控制与监控电源的输出电压、输出电流等参数，运行操作***，管理电源***底层资源，电源输出接口具有两输出通道用于输出电压，显示屏用于设置与观察装置输出情况，提供良好的人机交互，数字隔离模块实现电源执行模块中的模拟电路与控制模块中的数字电路的隔离以及选择输出通道，信号处理模块用于实现线性稳压模块输出设置电压信号的产生与处理以及电源输出电压的采集，电源执行模块用于将前级输入直流电压高效率地转换为精度高、纹波低的输出电压，AC-DC模块用于将输入的220V市电转换为36V直流电压供后级电源执行模块处理，及电源总开关用于控制装置的工作与否。
进一步的，所述箱体的材料为铝合金。
进一步的，所述电源总开关的输入采用220V的交流电输入，用户可通过电源总开关实现装置的开启与关闭。
进一步的，所述AC-DC模块将电源总开关输入的220V交流电转换为36V直流电压。
进一步的，所述电源执行模块包括开关预调节模块和线性稳压模块，所述线性稳压模块将两级线性稳压器并联使得装置最大输出电流为3A；开关预调节模块将前级36V直流电压降压后输出至线性稳压模块，通过将***输出电压值反馈至开关预调节模块，保证其输出值接近用户设置电压且不低于线性稳压器最低压差，经过线性稳压模块稳压后输出，输出电压范围为0-32V。
进一步的，所述控制模块选用具有低功耗特点的单片机ESP32对***进行控制，通过数字隔离模块对信号处理模块实现控制与数据交互。
进一步的，所述电源输出接口具有双通道，可满足用户同时对多个设备供电的需求。
进一步的，所述控制模块采用ESP32单片机，电源输出接口采用M5/30A纯铜接线柱，显示屏采用3.5寸TFT触摸液晶屏，数字隔离模块主要由SI6841EC芯片为核心的隔离电路，继电器及其控制电路组成，信号处理模块由MAX11300芯片及***电路和差分放大器组成，电源执行模块由LT8612开关降压预调节电路和LT3081线性稳压电路组成，AC-DC模块采用36V5A开关电源板，及电源总开关采用KCD4船型按钮开关。
所述开关预调节模块采用以LT8612为核心的开关降压电路和线性稳压模块采用以LT3081为核心的线性稳压电路。还包括一设置在箱体上且与外部相连通的扇热风扇。
本实用新型的优点及有益效果如下：
1、本实用新型通过AC-DC模块以及后续的DC-DC转化模块将直流交流市电转化为稳定的直流电源为设备供电
2.电源装置采取前级开关电源降压，后级线性稳压的架构，实现了高效降压的同时输出高精度，低纹波的电压，并通过建立后级稳压与前级降压的反馈，确保后级稳压正常工作，保证了电源装置的高精度。
3.电源装置软件方面移植开源的嵌入式实时操作***FreeRTOS来管理底层硬件资源，提高了整个***运行的实时性和可靠性，实现一个高效、实时、精确、灵活的嵌入式***。
4.电源装置通过在主控中移植基于IEEE488.2标准构架的可编程仪器标准指令集SCPI协议，使得用户能够通过上位机对电源***进行实时远程控制。
附图说明
图1是本实用新型提供优选实施例可远程控制高精度可编程电源装置正视图；
图2是本实用新型提供优选实施例可远程控制高精度可编程电源装置俯视图；
图3是本实用新型提供优选实施例可远程控制高精度可编程电源装置立体图，其中：1.电源输出接口 2.显示屏 3.数字隔离模块 4.箱体 5.控制模块 6.信号处理模块 7.电源执行模块 8.AC-DC模块 9.电源总开关 10.散热风扇。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案是：
如图1-3所示，一种可远程控制高精度可编程电源装置，其包括：一箱体，所述箱体内设置有控制模块、电源输出接口、显示屏、数字隔离模块、信号处理模块、电源执行模块、AC-DC模块及电源总开关，所述控制模块分别与显示屏、数字隔离模块、信号处理模块、电源执行模块相连接，其中控制模块用于控制与监控电源的输出电压、输出电流等参数，运行操作***，管理电源***底层资源，电源输出接口具有两输出通道用于输出电压，显示屏用于设置与观察装置输出情况，提供良好的人机交互，数字隔离模块实现电源执行模块中的模拟电路与控制模块中的数字电路的隔离以及选择输出通道，信号处理模块用于实现线性稳压模块输出设置电压信号的产生与处理以及电源输出电压的采集，电源执行模块用于将前级输入直流电压高效率地转换为精度高、纹波低的输出电压，AC-DC模块用于将输入的220V市电转换为36V直流电压供后级电源执行模块处理，及电源总开关用于控制装置的工作与否。
优选的，所述箱体的材料为铝合金。
优选的，所述电源总开关的输入采用220V的交流电输入，用户可通过电源总开关9实现装置的开启与关闭。
优选的，所述AC-DC模块将电源总开关输入的220V交流电转换为36V直流电压。
优选的，所述电源执行模块包括开关预调节模块和线性稳压模块，所述线性稳压模块将两级线性稳压器并联使得装置最大输出电流为3A；开关预调节模块将前级36V直流电压降压后输出至线性稳压模块，通过将***输出电压值反馈至开关预调节模块，保证其输出值接近用户设置电压且不低于线性稳压器最低压差，经过线性稳压模块稳压后输出，输出电压范围为0-32V。
优选的，所述控制模块选用具有低功耗特点的单片机ESP32对***进行控制，通过数字隔离模块对信号处理模块实现控制与数据交互。
优选的，所述电源输出接口具有双通道，可满足用户同时对多个设备供电的需求。
优选的，所述控制模块采用ESP32单片机，电源输出接口采用M5/30A纯铜接线柱，显示屏采用3.5寸TFT触摸液晶屏，数字隔离模块主要由SI6841EC芯片为核心的隔离电路，继电器及其控制电路组成，信号处理模块由MAX11300芯片及***电路和差分放大器组成，电源执行模块由LT8612开关降压预调节电路和LT3081线性稳压电路组成，AC-DC模块采用36V5A开关电源板，及电源总开关采用KCD4船型按钮开关。
优选的，所述开关预调节模块采用以LT8612为核心的开关降压电路和线性稳压模块采用以LT3081为核心的线性稳压电路。
高精度可编程电源装置的外壳由箱体4构成，所用材料为铝合金，具有质量轻、散热快，坚硬稳固的特点，能较好的保护电源装置内部结构且易于电源装置在工作时散热。
电源装置采用220V的交流电输入，用户可通过电源总开关9实现装置的开启与关闭，交流电输入***后，首先经过AC-DC模块8将其转换为36V直流电压，该电压转换过程转换效率高，减少了能量的损耗。散热风扇10对在装置工作时对其进行降温，使得装置能够正常运行。其输出的36V直流电压纹波较大，故使用电源执行模块7对其进行处理，装置的电源输出接口1具有两路，用户可根据需求设置相应通道输出高精度、低纹波的直流电压。
电源执行模块7的降压结构采用前级开关预调节模块结合输出级线性稳压模块，线性稳压模块将两级线性稳压器并联使得装置最大输出电流为3A。开关预调节模块将前级36V直流电压降压后输出至线性稳压模块，通过将***输出电压值反馈至预调节模块，保证其输出值接近用户设置电压且不低于线性稳压器最低压差，经过线性稳压模块稳压后输出，输出电压范围为0-32V。该设计利用开关电源转换效率高但输出电源质量差，线性稳压电源输出纹波小但转换效率低的特点，使装置具有电源转换效率高和输出电源纹波低的优点。
控制模块5选用具有低功耗特点的单片机ESP32对***进行控制，通过数字隔离模块3对信号处理模块6实现控制与数据交互。信号处理模块中具有多路16位ADC与DAC，将两路DAC输出电压经过差分放大器放大，通过两路电压的差分放大，消除因为环境因素带来的DAC输出不稳定而造成的误差，以差分放大获得电压作为线性稳压模块的输出设置电压，这样处理能够增加输出电压精度同时使输出设置电压更加稳定；通过ADC实时采样电源输出电压实现闭环，从而使装置具有高精度的特点。
用户使用本装置时可通过显示屏2实现触摸式设置输出参数，使用LVGL图形界面库来完成人机交互的设计，使得装置具有更佳的人机交互性，给用户带来较好的使用体验。电源输出接口1具有双通道，可满足用户同时对多个设备供电的需求。软件***移植可编程仪器标准指令集SCPI，用户可通过上位机远程设置装置输出参数，使得本装置可应用于各种极端环境中。软件***基于开源嵌入式实时操作***FreeRTOS，能够高效利用CPU资源，使得***具有较高的实时性和可靠性。本装置硬件设计集成度较高，装置总重量3kg，轻便易携，易于在各种场所使用，十分便捷。需要说明的是，本实用新型中可远程控制高精度可编程电源装置的各种程序均是现有技术人员不需要付出创造性劳动就可以得出的，本实用新型请求保护的是各个模块及其相互之间的连接关系，因此属于实用新型保护的客体。
以下为电源装置在不同负载下的输出情况：
表1.空载时装置输出测试结果
预设电压 通道一 通道二 预设电压 通道一 通道二
1V 0.9989 1.0014 20V 20.0021 20.0017
5V 5.0017 5.0016 25V 25.0020 24.9984
10V 9.9983 10.0024 30V 30.0031 30.0034
15V 15.0026 15.0017 32V 32.0032 32.0028
表2.负载5Ω时装置输出测试结果
预设电压 通道一 通道二 预设电压 通道一 通道二
1V 0.9976 0.9974 20V 20.0038 20.0036
5V 4.9977 5.0026 25V 24.9962 24.9966
10V 9.9968 10.0033 30V 30.0043 30.0044
15V 15.0034 14.9967 32V 32.0048 32.0046
表3.负载50Ω时装置输出测试结果
预设电压 通道一 通道二 预设电压 通道一 通道二
1V 1.0016 1.0018 20V 20.0023 20.0026
5V 5.0021 5.0022 25V 25.0027 24.9978
10V 10.0023 10.0027 30V 30.0039 30.0037
15V 14.9979 15.0024 32V 32.0039 32.0037
表4.负载500Ω时装置输出测试结果
预设电压 通道一 通道二 预设电压 通道一 通道二
1V 1.0014 1.0017 20V 19.9976 19.9976
5V 5.0023 4.9981 25V 24.9982 24.9979
10V 10.0021 10.0024 30V 29.9967 29.9964
15V 14.9984 14.9980 32V 31.9965 31.9967
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
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 (10)

1.一种可远程控制高精度可编程电源装置，其特征在于，包括：一箱体，所述箱体内设置有控制模块、电源输出接口、显示屏、数字隔离模块、信号处理模块、电源执行模块、AC-DC模块及电源总开关，所述控制模块分别与显示屏、数字隔离模块、信号处理模块、电源执行模块相连接，其中控制模块用于控制与监控电源的输出电压、输出电流等参数，运行操作***，管理电源***底层资源，电源输出接口具有两输出通道用于输出电压，显示屏用于设置与观察装置输出情况，提供良好的人机交互，数字隔离模块实现电源执行模块中的模拟电路与控制模块中的数字电路的隔离以及选择输出通道，信号处理模块用于实现线性稳压模块输出设置电压信号的产生与处理以及电源输出电压的采集，电源执行模块用于将前级输入直流电压高效率地转换为精度高、纹波低的输出电压，AC-DC模块用于将输入的220V市电转换为36V直流电压供后级电源执行模块处理，及电源总开关用于控制装置的工作与否。
2.根据权利要求1所述的可远程控制高精度可编程电源装置，其特征在于，所述箱体的材料为铝合金。
3.根据权利要求1所述的可远程控制高精度可编程电源装置，其特征在于，所述电源总开关的输入采用220V的交流电输入，用户可通过电源总开关9实现装置的开启与关闭。
4.根据权利要求3所述的可远程控制高精度可编程电源装置，其特征在于，所述AC-DC模块将电源总开关输入的220V交流电转换为36V直流电压。
5.根据权利要求1-4任一项所述的可远程控制高精度可编程电源装置，其特征在于，所述电源执行模块包括开关预调节模块和线性稳压模块，所述线性稳压模块将两级线性稳压器并联使得装置最大输出电流为3A；开关预调节模块将前级36V直流电压降压后输出至线性稳压模块，通过将***输出电压值反馈至开关预调节模块，保证其输出值接近用户设置电压且不低于线性稳压器最低压差，经过线性稳压模块稳压后输出，输出电压范围为0-32V。
6.根据权利要求5所述的可远程控制高精度可编程电源装置，其特征在于，所述控制模块选用具有低功耗特点的单片机ESP32对***进行控制，通过数字隔离模块对信号处理模块实现控制与数据交互。
7.根据权利要求5所述的可远程控制高精度可编程电源装置，其特征在于，所述电源输出接口具有双通道，可满足用户同时对多个设备供电的需求。
8.根据权利要求5所述的可远程控制高精度可编程电源装置，其特征在于，所述控制模块采用ESP32单片机，电源输出接口采用M5/30A纯铜接线柱，显示屏采用3.5寸TFT触摸液晶屏，数字隔离模块主要由SI6841EC芯片为核心的隔离电路，继电器及其控制电路组成，信号处理模块由MAX11300芯片及***电路和差分放大器组成，电源执行模块由LT8612开关降压预调节电路和LT3081线性稳压电路组成，AC-DC模块采用36V5A开关电源板，及电源总开关采用KCD4船型按钮开关。
9.根据权利要求5所述的可远程控制高精度可编程电源装置，其特征在于，所述开关预调节模块采用以LT8612为核心的开关降压电路和线性稳压模块采用以LT3081为核心的线性稳压电路。
10.根据权利要求1所述的可远程控制高精度可编程电源装置，其特征在于，还包括一设置在箱体上且与外部相连通的扇热风扇。
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