穆克強(qiáng) 任勇峰， 賈興中

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）

（2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）

1 引言

水下測(cè)量裝置主要用于采集、編碼并存儲(chǔ)水下發(fā)射系統(tǒng)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的多種物理量信息，試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行讀數(shù)并分析，為發(fā)射系統(tǒng)性能的評(píng)估及技術(shù)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐［1～2］。電源系統(tǒng)作為測(cè)量裝置的關(guān)鍵部分，為調(diào)理卡、主控卡及存儲(chǔ)模塊提供穩(wěn)定可靠的工作電源，是整個(gè)記錄裝置的基礎(chǔ)。電源系統(tǒng)的可靠性是整個(gè)測(cè)量裝置工作可靠性的前提［3］。

針對(duì)測(cè)量裝置特殊工作環(huán)境對(duì)電源系統(tǒng)的要求，提出了一種可低功耗延時(shí)后啟動(dòng)、可完成器地電源轉(zhuǎn)換以及鋰電池智能充電管理的電源系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)，確保該電源系統(tǒng)在特殊環(huán)境下工作的穩(wěn)定性。

2 電源系統(tǒng)總體方案

水下測(cè)量裝置自成體系，獨(dú)立于發(fā)射系統(tǒng)之外，在整個(gè)發(fā)射試驗(yàn)過(guò)程中依靠自身電源系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集記錄器及傳感器組供電。測(cè)量裝置的電源系統(tǒng)由DC/DC［4］模塊、電源控制模塊、線(xiàn)性穩(wěn)壓?jiǎn)卧?、充電管理單元、配電單元和鋰電池組成，模塊間通過(guò)內(nèi)部三通連接器連接，設(shè)計(jì)為“籠屜式”疊層結(jié)構(gòu)，如圖1 所示為供電系統(tǒng)總體框圖。電源管理裝置通過(guò)連接電纜向數(shù)據(jù)采集記錄裝置中主控卡、采集卡、存儲(chǔ)卡供電，同時(shí)完成與主控卡的通訊。

圖1 測(cè)量裝置供電系統(tǒng)整體框架圖

電源管理裝置內(nèi)部原理圖如圖2 所示，地面測(cè)試時(shí)，電源系統(tǒng)引入地面28V 電源，經(jīng)過(guò)DC/DC 模塊將電壓降低至9.5V，通過(guò)Poweren 信號(hào)使能線(xiàn)性穩(wěn)壓芯片，完成自身及數(shù)據(jù)采集記錄裝置配電的同時(shí)，還對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，此時(shí)鋰電池不對(duì)外供電，鋰電池電壓值通過(guò)采集卡調(diào)理至合適的范圍，在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。延時(shí)啟動(dòng)時(shí)，由上位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集記錄器主控卡向電源管理裝置發(fā)送延時(shí)參數(shù)，電源管理裝置將延時(shí)參數(shù)存儲(chǔ)至STM32 內(nèi)部FLASH中，發(fā)送延時(shí)啟動(dòng)指令后，斷開(kāi)連接電纜，電源管理模塊按照加載的參數(shù)開(kāi)始延時(shí)，延時(shí)結(jié)束后使能Poweren信號(hào)，開(kāi)始為測(cè)量裝置供電。

圖2 電源管理裝置內(nèi)部原理圖

3 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 電源控制模塊設(shè)計(jì)

電源控制模塊主要完成測(cè)量裝置地面電源與自身電源的轉(zhuǎn)換、延時(shí)參數(shù)加載、加載狀態(tài)返回以及延時(shí)啟動(dòng)等功能。

該電路的器地電源轉(zhuǎn)換功能是通過(guò)光繼電器AQY210 控制線(xiàn)性穩(wěn)壓芯片MIC29302 的使能引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)。從圖3 中可以看到，在地面測(cè)試時(shí)，地面28V 上電后，光繼電器U3 導(dǎo)通，而此時(shí)CVDD 為DC/DC 模塊轉(zhuǎn)換后的9.5V 電壓，經(jīng)過(guò)二極管后使能端PowerEN 為8.8V，使能線(xiàn)性穩(wěn)壓芯片輸出電壓，為測(cè)量裝置各板卡供電。需要轉(zhuǎn)電時(shí)，數(shù)據(jù)采集記錄裝置的主控卡將信號(hào)FPGA_EN 拉高，U4 導(dǎo)通后維持PowerEN信號(hào)的高電平狀態(tài)，當(dāng)電源系統(tǒng)與地面28V 電源脫離后CVDD 轉(zhuǎn)為鋰電池電壓，繼續(xù)向測(cè)量裝置供電，從而完成電源轉(zhuǎn)換。線(xiàn)性穩(wěn)壓芯片選用MIC29302，該芯片具有大電流、精度高、響應(yīng)快等特點(diǎn)［5］，輸出電壓可通過(guò)4、5 引腳連接的外部電阻調(diào)節(jié)至1.25V～26V范圍，滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)要求。

圖3 器地電源轉(zhuǎn)換控制電路

為了降低供電系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)狀態(tài)下的功耗，控制模塊主控芯片為STM32L431，該芯片供電電壓為3.3V，在只開(kāi)啟部分功能的模式下電流低至84μA/MHz［6］，采用8MHZ 晶振時(shí)電流為0.672mA，通過(guò)計(jì)算功率為2.22mW，可待機(jī)1000 小時(shí)以上。主控芯片及外圍電路如圖4 所示，從圖4 中可以看到STM32 使用低噪聲、微功率、低壓差穩(wěn)壓器LT1761ES5-3.3 供電，當(dāng)?shù)孛?8V 上電后DC/DC 輸出的9.5V 電壓使能U1 芯片，單片機(jī)始終處于工作狀態(tài)。

圖4 主控芯片及外圍電路

圖4 中供電裝置的主控芯片通過(guò)串口與主控卡通訊，完成延時(shí)參數(shù)加載、狀態(tài)返回以及接收延時(shí)啟動(dòng)指令等功能。當(dāng)收到延時(shí)參數(shù)后，主控芯片將此參數(shù)固化到內(nèi)部FLASH 中，完成固化后向主控卡返回加載狀態(tài)，同時(shí)等待延時(shí)啟動(dòng)指令。當(dāng)供電裝置收到延時(shí)啟動(dòng)指令后，STM32將BACKEN信號(hào)置高，維持自身供電，此時(shí)斷開(kāi)地面電源單片機(jī)依靠鋰電池CVDD 供電，當(dāng)延時(shí)時(shí)間到，STM32 拉高PowerEN 信號(hào)，使能線(xiàn)性穩(wěn)壓MIC29302 開(kāi)始向測(cè)量裝置供電。

3.2 充電管理模塊設(shè)計(jì)

鋰電池的充電管理采用TI 公司的BQ2057 芯片實(shí)現(xiàn)，BQ2057系列芯片適合為鋰離子（Li-lon）和鋰聚合物（Li-Pol）的單節(jié)（4.1V 或4.2V）或雙節(jié)（8.2V或8.4V）電池充電，可動(dòng)態(tài)補(bǔ)償鋰電池組的內(nèi)阻來(lái)縮短充電時(shí)間［7］。滿(mǎn)足本供電系統(tǒng)所選8.4V鋰電池的充電設(shè)計(jì)要求，同時(shí)由于其外圍電路簡(jiǎn)單、封裝小，符合水下測(cè)量裝置的小型化設(shè)計(jì)。

鋰電池充電管理模塊電路如圖5 所示，圖中CVDD1 為電池電壓，9.5V 為DC/DC 模塊轉(zhuǎn)換后電壓，也是BQ2057 芯片的工作電壓。該電路通過(guò)SNS 引腳與9.5V 之間感應(yīng)電阻RSNS（R24、R26）的壓降來(lái)檢測(cè)充電電流，芯片以此來(lái)調(diào)節(jié)CC 引腳的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)不同的充電模式。其中感應(yīng)電阻值的計(jì)算如式（1）：

圖5 充電管理模塊電

式中：IREG為預(yù)期充電電流；VSNS的數(shù)值為BQ2057電氣特性表的規(guī)定值，典型取值為125mV。

本文設(shè)計(jì)的充電電路是針對(duì)水下測(cè)量裝置的供電系統(tǒng)，電池容量大，在地面測(cè)試時(shí)需要快速充電，因此設(shè)置充電電流為1000mA，VSNS取典型值125mV，計(jì)算的感應(yīng)電阻RSNS約為0.1Ω?？紤]到0.1Ω電阻的額定功率太小，采用兩個(gè)額定功率較大的0.2Ω電阻并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)［8］。LED 燈和其限流電阻串聯(lián)接入STAT引腳，用于檢測(cè)電池充電狀態(tài)。

BQ2057充電過(guò)程有三種狀態(tài)：預(yù)充狀態(tài)、恒流充電狀態(tài)和恒壓充電狀態(tài)。BQ2057上電后檢測(cè)工作電壓VDD和電池溫度，若都在正常范圍內(nèi)，檢測(cè)電池電壓VBAT是否低于低壓門(mén)限Vmin，若滿(mǎn)足條件則以恒流IREG10%的電流對(duì)電池預(yù)充電。預(yù)充電完成后若電池電壓VBAT不低于Vmin時(shí)，BQ2057進(jìn)入恒流充電狀態(tài)，由感應(yīng)電阻R24、R26監(jiān)控充電電流。當(dāng)充電電壓達(dá)到恒壓VREG時(shí)進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)，若檢測(cè)電流小于IREG10%時(shí)充電完成，當(dāng)電池電壓VBAT小于重新充電門(mén)限時(shí)，繼續(xù)開(kāi)始充電［9］。BQ2057充電流程如圖6所示。

圖6 BQ2057充電流程圖

3.3 DC/DC模塊設(shè)計(jì)

DC/DC轉(zhuǎn)換器的變換效率高、輸入電壓范圍較寬且可以輸出大電流，但是由于其采用開(kāi)關(guān)電源的方式對(duì)電感和電容充放電，會(huì)造成EMI和電源紋波較大的問(wèn)題［10］。

考慮到測(cè)量裝置的功耗較大，采用LDO 降壓效率太低，所以采用DC/DC進(jìn)行降壓至合適的范圍（9.5V），再采用LDO 為后級(jí)電路供電。為了降低EMI的影響并減小輸出端電壓紋波，在DC/DC降壓電路中加入EMI 濾波模塊同時(shí)在輸入輸出連接器附近放置合適的濾波電容，DC/DC 模塊電路如圖7所示。

圖7 DC/DC模塊電路圖

DC/DC 模塊選用vitor 公司的V24C12T50BL，該模塊的輸入電壓范圍為18V～36V，效率可達(dá)93%，同時(shí)具備過(guò)電壓、過(guò)流、短路及溫度保護(hù)功能。其輸出電壓可根據(jù)SC 與OUT-引腳之間電阻RD的值來(lái)調(diào)節(jié)，輸出電壓與RD的關(guān)系如式（2）：

式中：Vnom、Vout分別為理論和實(shí)際輸出的電壓值。

EMI 濾波器使用Vicor 公司的QPI-3LZ，該款有源EMI 濾波器在150kHz～30MHz 頻率范圍內(nèi)衰減傳導(dǎo)共模（CM）和差模（DM）噪聲［11］。該產(chǎn)品用于24Vdc總線(xiàn)（10Vdc～40Vdc）系統(tǒng)，具有100Vdc浪涌能力。相對(duì)于大體積的無(wú)源EMI濾波器，QPI-3LZ提供了一種薄型表面貼裝器件，在節(jié)省電路板空間的同時(shí)有效減小了DC/DC輸入端的電磁干擾。

3.4 鋰電池電壓監(jiān)測(cè)電路

為了能夠?qū)崟r(shí)了解鋰電池的電量，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋰電池的電壓，圖8為鋰電池電壓監(jiān)測(cè)電路。

圖8 鋰電池電壓監(jiān)測(cè)電路

首先通過(guò)100K 電阻與33.2K 電阻將兩塊鋰電池電壓CVDDA、CVDDB 分壓至2V 左右，再通過(guò)AD8606跟隨電路將電壓輸送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本電路選用AD7911ARMZ 雙通道、高速、低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)據(jù)采集記錄器主控卡的FPGA 控制該芯片對(duì)鋰電池分壓后電壓進(jìn)行采樣、保持、量化、編碼，最后主控卡將編碼后的數(shù)字量傳至上位機(jī)顯示。

4 軟件設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)的軟件部分主要完成延時(shí)參數(shù)加載、加載狀態(tài)返回、延時(shí)狀態(tài)反饋、延時(shí)計(jì)數(shù)、控制供電使能信號(hào)等功能，軟件控制流程如圖9所示。

圖9 供電系統(tǒng)軟件流程圖

在地面測(cè)試模式時(shí)，STM32單片機(jī)上電后處于等待狀態(tài)，若檢測(cè)到串口收到延時(shí)參數(shù)加載指令“5A54”后，接收上位機(jī)發(fā)送的延時(shí)參數(shù)0～65535并將其固化于內(nèi)部FLASH 中，固化完成后向上位機(jī)反饋延時(shí)參數(shù)加載成功狀態(tài)。

發(fā)射準(zhǔn)備階段，地面測(cè)試臺(tái)向32 單片機(jī)發(fā)送延時(shí)啟動(dòng)指令“7BE5”，收到指令后單片機(jī)從內(nèi)部FLASH 中讀取延時(shí)參數(shù)，配置16 位高精度定時(shí)器按照當(dāng)前的參數(shù)開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)開(kāi)始的同時(shí)單片機(jī)向上位機(jī)反饋延時(shí)啟動(dòng)成功狀態(tài)，延時(shí)啟動(dòng)成功后單片機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)向串口發(fā)送當(dāng)前延時(shí)參數(shù)。延時(shí)過(guò)程可以通過(guò)上位機(jī)發(fā)送延時(shí)啟動(dòng)復(fù)位指令“146F”來(lái)終止延時(shí)，單片機(jī)將復(fù)位初始化，但不會(huì)刪除已經(jīng)加載的延時(shí)參數(shù)。

STM32 使用外部8M 晶振，通過(guò)分頻設(shè)置定時(shí)器時(shí)鐘設(shè)為50K，十進(jìn)制延時(shí)參數(shù)1代表時(shí)間1s，所以定時(shí)器自動(dòng)重裝載值設(shè)為49999，定時(shí)器溢出后延時(shí)參數(shù)值減1，直至減為0 延時(shí)結(jié)束，拉高PowerEN信號(hào)開(kāi)啟供電輸出。

5 可靠性設(shè)計(jì)

5.1 散熱設(shè)計(jì)

電源管理裝置采用封閉式金屬結(jié)構(gòu)，無(wú)法通過(guò)對(duì)流散熱，但可以利用金屬材料良好的導(dǎo)熱性能，對(duì)電源管理裝置進(jìn)行熱傳導(dǎo)和熱輻射散熱設(shè)計(jì)［12］。

針對(duì)DC/DC 模塊、MIC29302 線(xiàn)性穩(wěn)壓芯片和BQ2057 充電管理芯片三個(gè)主要的發(fā)熱源，設(shè)計(jì)時(shí)將DC/DC 模塊的PCB 板預(yù)留出一個(gè)散熱區(qū)域，用于DC/DC模塊的金屬部分與結(jié)構(gòu)的緊密貼合，增加傳導(dǎo)面積加快散熱，如圖10 所示。MIC29302 和BQ2057 芯片設(shè)計(jì)安裝于結(jié)構(gòu)的散熱凸臺(tái)上，在中間墊導(dǎo)熱性較好的云母片同時(shí)滿(mǎn)足散熱和絕緣的要求，如圖10所示。

圖10 供電裝置散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.2 鋰電池的保護(hù)

對(duì)鋰電池進(jìn)行了緩沖及灌封處理，以防止鋰電池在受沖擊后出現(xiàn)短路、斷路，提高其可靠性。將鋰電池引線(xiàn)及連接點(diǎn)使用硅膠粘固后將整塊電池灌封處理，最后用毛氈包裹安裝于電池腔體內(nèi)。對(duì)保護(hù)處理后的電源裝置進(jìn)行16g 振動(dòng)試驗(yàn)與1000g沖擊試驗(yàn)后，電源裝置仍可以穩(wěn)定工作。

6 測(cè)試結(jié)果

6.1 鋰電池充放電測(cè)試

在室溫下對(duì)供電裝置的8.4V 鋰電池進(jìn)行充電測(cè)試，上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄電池電壓和充電電流，繪制得到充電時(shí)電池電壓電流隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖11 所示。從圖11 可以看出，鋰電池先以630mA 左右的電流恒流充電，電池電壓不斷升高；4.6h 后進(jìn)入恒壓充電階段，充電電流快速下降，下降到約90mA充電結(jié)束，結(jié)束后電池電壓為8.38V。

圖11 充電過(guò)程鋰電池電流電壓變化曲線(xiàn)

將充滿(mǎn)電的兩塊8.4V 鋰電池向數(shù)據(jù)采集記錄裝置持續(xù)供電14h，期間有10h 處于低功耗延遲階段，4h 記錄階段，結(jié)束后測(cè)量鋰電池電壓約為7.74V，依據(jù)此型號(hào)鋰電池的放電曲線(xiàn)剩余電量約為65%。

6.2 輸出電壓紋波測(cè)試

電源在為系統(tǒng)提供能量的同時(shí)，不可避免地引入了紋波，紋波會(huì)在設(shè)備中產(chǎn)生不期望的諧波，降低電源的效率［13］。本文在輸入8V 電壓條件下，對(duì)輸出電壓的紋波進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖12 所示。從圖中可以看出MIC29302線(xiàn)性穩(wěn)壓芯片在負(fù)載情況下輸出端電壓紋波最大為9.3mV，滿(mǎn)足測(cè)量裝置的供電需求。

圖12 輸出電壓紋波測(cè)試結(jié)果

7 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的水下測(cè)量裝置電源系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)地面電源到測(cè)量裝置自身電源的無(wú)縫轉(zhuǎn)換，電源系統(tǒng)可以低功耗待機(jī)后延時(shí)啟動(dòng)，且能對(duì)鋰電池進(jìn)行充電管理。該電源系統(tǒng)供電穩(wěn)定，輸出電壓紋波小，散熱性好，同時(shí)具備良好的抗振動(dòng)沖擊性能。目前，該電源系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于某水下發(fā)射試驗(yàn)的測(cè)量系統(tǒng)中。