低压直流单电源设备的双电源适配器制作

1 常见的设备供电保障方案

1.1 单电源市电供电设备

单电源市电设备只有一个电源插口，由市电供电，如机架式话筒接收机、扩声功放等。这类设备无法改造为多电源供电。通常使用在线式UPS 进行电源保障，如贵州广播电视台演播厅音频设备低功率（＜500 W）单电源设备全部由UPS 保障，50%的大功率（＞500 W）单电源设备由UPS 保障，另外50%由市电保障，市电如果断路，不影响安全播出。

1.2 双电源设备

重要核心设备支持双电源供电，设备本身自带两个开关电源相互冗余，如大型调音台、接口箱、切换台主机、视频矩阵及服务器等。通常，一路电源使用市电供电，另一路电源使用UPS 保障，具有极高的电源安全性。

1.3 由电源适配器供电的低压直流设备

由电源适配器供电的低压直流设备本身比较轻巧，如图1和图2所示。图1为LECTROSONICS（莱克）R400A 的背面，提供一个DC 输入口，兼容宽幅电压（8～18 V）。图2 是SHURE（舒尔）UD 系列，需要15 V、0.6 A的电源适配器。类似的设备还有很多，这些非机架式的设备为了减小设备体积，将电源适配器外置，如SHURE 的PSM900、ULX-D、QLX-D、SLX 系列、Sennheiser（森海赛尔）的非机架式天线分配器等。部分产品还考虑了兼容摄像机电池供电，并提供宽幅电压输入，以便在户外难以提供市电的场合使用。有的设备除提供一个市电接口外，还额外提供一个DC 输入接口，如Lawo 的A__mic 产品，除提供一个DC 口之外还可接受PoE 供电。

图1 LECTROSONICS（莱克）R400A 的背面

图2 SHURE（舒尔）UD 系列

所有这些低电压供电设备可以都可以改造为多电源供电，以提高设备的易用性和安全性。

2 低压单电源设备存在的问题与需求

类似话筒接收机这样的设备在实际使用时，经常多台同时使用，如果为每台接收机各配一个电源适配器，线路较多，接线复杂，因此最好只用一条电源线解决供电问题；这些设备都是单电源供电，存在电源安全隐患，有电源供电出问题的可能性。设备背面的DC 电源输入口通常是5.5 mm×2.1 mm，本身不带自锁装置，非常容易插拔，在复杂的现场环境，很难保证不会有人碰到电源线，因此需要将这一端完全放入机箱内。所有引至机箱外的电源都应使用带自锁机构的插头插座，避免被碰掉的可能性。将不能由电池供电的设备进行改造后能使用电池供电，在户外取电不方便时可以用电池工作。

外出使用常见的通用锂电池电池分为2 种，如图3、图4 所示，一种是便携LED 灯、无线图传或小型监视器使用的F750/F970 7.4 V 电池，这种电池电压低，容量小，不适合接收机和多轨录音机机使用。另一种是V 口摄像机电池，同样也是外拍使用最广泛的电池之一，容易获得，通过D-Tap 接口向外供电或充电，“薄电”可提供14.4 V 130 Wh 容量。根据以往的实践，一块“薄电”即可提供一整天的录制，非常实用。

图3 通用小型摄像机电池

图4 通用大型摄像机电池

3 双电源适配器需求

对双电源适配器的需求主要有以下3 方面：

（1）三组供电全自动切换，优先级为主电＞备电＞电池，三者只要有一个接通，设备就能工作。所有的电源切换无需人工操作，通过内部电路自动切换；

（2）内部使用两个高可靠12 V、2 A 开关电源，20 W 功率可带1.6 A 负载；

（3）电池供电可满足户外无法取电的情况下使用，一个充满电的摄像机电池，130 Wh 薄电，理论情况下，满负载供电可使用6～7 h（130/（12*1.6）），半负载可使用12 h，可基本满足一天的录制使用[1]。

4 方案选型

直流双电源切换有多种方案，本文重点考虑容易实现的3 种方案：一是双电源二极管并联输出，二是使用继电器切换，三是使用MOS 管来切换。下面具体分析3 种方案的优缺点。

4.1 双继电器切换

双继电器切换电路如图5 所示。使用两个继电器进行切换时，继电器1的线圈由U1（主电）供电，当U1 正常工作时，继电器1 的常开端吸合，输出端则由U1 提供12 V 电压。继电器的常闭端由U2（备电）提供12 V 电源，当U1 断开时，线圈断电，常闭端吸合，输出端由U2 提供电源；同理，继电器1 的输出端连接到了继电器2 的常闭端，同时与线圈链接，只要U1、U2 任意一路供电正常，则继电器2的常开端闭合，由继电器1 的输出向继电器2 供电。而继电器2 的常闭端与14.4 V 锂电池电池相连，一旦继电器1 的输出断路，即U1、U2 全部断开，则由电池向输出端提供电源，从而完成全自动切换过程。考虑到输出负载可能短路的情况，在输出端串联一个30 V 1.6A 的自恢复保险丝，保护电源。

图5 双继电器切换电路简图

该电路的优点为：继电器是纯机械器件，工作时也不发热，可靠性很高；当U1（主电）工作时，U2（备电）虽然处于通电状态，但不会同时工作，长期处于空载状态，不会与主电一并老化。缺点也很明显，当只有U1 工作时，U1 需要负载两个继电器的功率，根据厂家技术参数，小型继电器线圈功率在400 mW，该方案总无效功率在0.8 W。另外，继电器的动作时间较长，是毫秒级别，对于不同型号可达10～25 ms 以上，必须考虑切换时的瞬间导致设备掉电重启。

这里取最大负载1.6 A，在12 V 下的电阻为R=12/1.6=7.5 Ω。电容必须保证在25 ms 之内，工作截止电压不低于9 V，根据电容的放电公式计算求得C ≈0.011 587 F，可使用10 000 uF 的常用容量。

4.2 并联二极管

并联二极管电路如图6 所示。SB560 是容易买到的功率型肖特基二极管，从特性曲线（如图7 所示）来看，1～2 A 负载时，压降为0.5～0.55 V。

图6 并联二极管电路简图

图7 特性曲线

这种方案的优点是主备电源同时输出，当适配器输出电压相等时，各负载一半功率。当任意一路断开，可以瞬间切换到另一路工作，切换速度远快于继电器。由于电池电压高于电源适配器，因此不能将电池并联在其中，否则只有当电池放电低于12 V 时，才会切换到适配器，不符合设计需求，电池切换必须使用一个继电器。

该方案的另外一个优点是主备电切换速度极快，对后极几乎没有冲击，如果不考虑电池切换，并联的电容换成10 uF 即可。二极管的缺点是正向压降，电流越大，需要消耗的电源功率越大，而常见的1N 系列整流二极管压降在1 A 负载时就可达到1 V 的压降，这里选择的肖特基二极管，仍然有0.5～0.6 V 压降，再加上继电器的线圈功率，该电路总无效功率在1 W 左右（1 A 负载时）[2]。

4.3 MOS 管切换

MOS 管切换电路如图8 所示，该电路将主备电源用MOS 管来切换。Q1、Q2、Q3 是常见的P-MOS管，使用3 个MOS 管可防止只有一个电源供电时电流倒灌的情况。当U1（主电）、U2（备电）同时供电时，UQ1GS=0 V，由于Q1 相对U1 是反接的，Q1 的寄生二极管导通，同时UQ2GS=UQ3GS=0 V，U2的电流无法通过Q3，且U1 的电流无法通过Q2。值得注意的是，一旦U2 的电压高于U1 超过MOS管的开启电压2 V，设备将转由U2 供电[3]。如果U1 断开，此时UQ1GS=0 V，Q1 截止，电流不会倒灌给U1；同时，Q2 和Q3 的Gate 被下拉电阻拉到地，UQ2GS=UQ3GS=-12 V，此时Q2、Q3 均为开启状态，设备将由U2 供电。同理，当U1 供电、U2 断开时，UQ1GS=-12 V，Q1 开 启，UQ2GS=UQ3GS=0 V，Q2 和Q3 截止，电流无法通过Q2 倒灌给U2，此时Q1 没有压降。

图8 MOS 管切换电路简图

该电路的优点是MOS 关断时几乎没有功耗，开启时导通电阻低，几乎没有压降；主备电切换速度同样很快，可以近似看成是理想二极管。主电工作时，只要备电输出不高于主电2 V，达不到MOS开启的最低电压，就没有负载，不会和主电一起工作。该电路缺点同样很明显，U1 是利用了MOS 管内的寄生二极管，该二极管有0.6 V 左右的压降，同样需要消耗电源功率，但任意单电源供电时无此问题，解决此问题需要使用LTC4412 之类的电源管理芯片。该电路总无效功率为1 W（1A 负载时），单电源供电时，无效功率最大为0.4 W（继电器线圈）。

5 实际制作

关于双电源的核心模块开关电源的选型，在考察了市场上的大多数产品之后，最终选择了明纬（MEAN WELL）基板型（Open frame Type）开关电源MPM 系列。该电源是医疗级电源，相比工业级的同型号IRM 系列，医疗级设备允许和人体直接接触，因此医疗级电源的EMC 兼容性更好，漏电流更低，提供更宽松的AC 电压范围和操作环境。同时医疗级电源的平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）比工业级提高了24%。比较其技术指标，医疗级电源在设计时使用了更可靠的器件。根据功率需求，选择了MPM-20-12——一个20 W、12 V 医疗级开关电源，如图9 所示。

图9 医疗级开关电源

在综合分析以上方案后，笔者使用方案2 实际制作了一个多电源自动切换器。为了迅速验证设计，笔者并未实际印制电路板，而是直接使用导线连接各个器件，如图10 所示。

图10 实物制作过程

笔者还为其制作了DC 散尾连接线和电池链接线，如图11、图12 所示。

图11 电池连接线

图12 DC 散尾连接线

根据实际测试，无论任何一路电源输入，都可以使设备正常工作。在双电源接入时，断开任何一路电源，都不会使设备重启，达到了设计需求。

6 结语

本文所选取的锂电池，是广电行业、视频行业常见的一种锂电池。14.4 V 电压由4 个3.6 V 单元串联而成，根据锂电池的放电特性，电池电压范围在11～16 V，大部分情况下都高于12 V。因而无论哪种方案，都需要继电器来切换电池供电，如果不需要电池供电，电路可以简化。

当向宽电压设备供电时，无需考虑电池电压和适配器电压的不同。而向固定电压的设备供电，如舒尔接收机是15 V，将开关电源换成15 V 的即可。电池输出则必须增加升降压的DC-DC 稳压模块，如LTC3780，确保不会超出设备的供电范围。

双电源适配器还可进一步增加功能并提高应用范围。当内置一个PoE 分离降压模块时，在IEEE 802.3af 标准下可提供12.95 W 的电功率，这是一个绝大多数PoE 交换机都可以支持的标准。这样就可以将小型无线话筒接收机（如R400A）和Lawo 的A__mic 一起在现场使用。由PoE 交换机供电后，通过网线和无线的两级覆盖，可以将点话筒延伸到非常远的距离，这就在一定程度上简化了复杂场地的点声源布置难题。