國產(chǎn)化超級(jí)電容的掉電檢測(cè)和延時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王澤港， 王康誼

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原 030051）

0 引 言

隨著軍事技術(shù)的提升，傳統(tǒng)的戰(zhàn)爭(zhēng)方式由原來的轟炸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檐娛卵b備的遠(yuǎn)距離精確打擊，其中最常用的武器便是導(dǎo)彈［1］。由此對(duì)導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)、飛行參數(shù)的記錄都相關(guān)重要，而彈載記錄儀存儲(chǔ)測(cè)試裝置體積小、質(zhì)量輕、便于安裝，采集到的數(shù)據(jù)更為大量和準(zhǔn)確、實(shí)驗(yàn)過程更加安全而被廣泛應(yīng)用［2］。但是彈載記錄儀的芯片存在長期依賴國外生產(chǎn)，一旦國際間發(fā)生意外情況，將直接影響對(duì)于導(dǎo)彈的性能測(cè)試。除此之外，在實(shí)驗(yàn)過程中彈載記錄儀也存在工作狀態(tài)穩(wěn)定性不好，在外界干擾嚴(yán)重或惡劣的天氣情況下會(huì)突然自動(dòng)掉電，從而給數(shù)據(jù)的采集造成損害，無法完整地記錄導(dǎo)彈參數(shù)［3-4］。不僅給實(shí)驗(yàn)測(cè)試帶來不便，而且嚴(yán)重的事故還會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

因此，為了保證彈載記錄儀的可靠性、供電的品質(zhì)和為了有效防止和降低導(dǎo)彈記錄儀測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)造成的不必要的危害和經(jīng)濟(jì)損失，國產(chǎn)化超級(jí)電容的掉電檢測(cè)和延時(shí)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生［5］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于彈載記錄儀供電電路在復(fù)雜的情況下會(huì)出現(xiàn)掉電，從而出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)采取相關(guān)的措施盡可能降低或消除因電路掉電所引起的干擾。掉電監(jiān)測(cè)和延時(shí)供電系統(tǒng)是掉電保護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，為瞬時(shí)數(shù)據(jù)保護(hù)和短時(shí)不間斷電源（UPS）切換提供電源保障［6］。本設(shè)計(jì)主要采用超級(jí)電容和升壓轉(zhuǎn)換器國產(chǎn)芯片，根據(jù)其電氣特性完成電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了掉電監(jiān)測(cè)和延時(shí)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過分析彈載記錄儀會(huì)在何時(shí)突然掉電及掉電后的各種參數(shù)顯示，提出應(yīng)該在掉電時(shí)發(fā)出預(yù)警的新方案，從而引出在掉電后需要電壓延時(shí)供電的思路。同時(shí)，研究分析不同系統(tǒng)在掉電后的工作時(shí)間，以達(dá)到在恢復(fù)供電時(shí)，系統(tǒng)能夠滿足彈載記錄儀的各工作要求：

（1）具有系統(tǒng)電壓監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)系統(tǒng)電壓出現(xiàn)掉電時(shí)，能輸出電壓掉電指示信號(hào)；

（2）具有延時(shí)供電功能。利用超級(jí)電容組作為儲(chǔ)能元件，當(dāng)系統(tǒng)電壓中斷時(shí)，能夠提供備用電壓；

（3）能夠?qū)Τ?jí)電容進(jìn)行恒功率充電，自動(dòng)進(jìn)行充放電控制；

（4）能夠?qū)Τ?jí)電容的放電進(jìn)行壓值變換，恒定輸出電壓；電路要求全部采用國產(chǎn)元器件設(shè)計(jì)。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 超級(jí)電容充電芯片

根據(jù)本系統(tǒng)功能要求及存儲(chǔ)電能的工作時(shí)間等，分析了彈載記錄儀承受的工作功率、工作電壓、負(fù)載要求等［7］，同時(shí)根據(jù)超級(jí)電容組的選值分析，本設(shè)計(jì)選用CN3125 芯片（見圖2）。

圖2 超級(jí)電容充電CN3125芯片

國產(chǎn)CN3125 芯片是一種完整的恒流/恒量標(biāo)簽充電器IC，從2.7 ～6 V的電源充電單元或2 單元超級(jí)電容器。該器件包含片上功率MOSFET，沒有外部感測(cè)電阻、阻塞二極管的限制。熱反饋通過電荷電流的控制，不僅可以限制高功率狀態(tài)運(yùn)行，還可以調(diào)節(jié)高溫環(huán)境下的承載能力。另外調(diào)節(jié)電壓由電阻分壓器外部設(shè)置［8］，同時(shí)外部設(shè)置可以用單個(gè)電阻器充電電流的有源平衡電路，在每個(gè)超級(jí)電容器上，保持相等的電壓。當(dāng)輸入電源移除時(shí)，CN3125 將超級(jí)電容器電流降到小于3 μA，進(jìn)入低功耗狀態(tài)（見圖3）。

圖3 CN3125電路設(shè)計(jì)

2.2 升壓轉(zhuǎn)換器芯片

升壓轉(zhuǎn)換器與電源電壓相比，輸出電壓始終較高，也是國產(chǎn)芯片中應(yīng)用最多的升壓轉(zhuǎn)換器，選擇了合適的升壓芯片也讓本設(shè)計(jì)的電路變得簡(jiǎn)單，且滿足設(shè)計(jì)的基本要求［9-10］。本設(shè)計(jì)采用HT7167，它不僅全集成升壓轉(zhuǎn)換器，而且柵極驅(qū)動(dòng)帶有負(fù)載關(guān)斷功能，為彈載記錄儀系統(tǒng)的裝配提供結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小的解決方法［11］（見圖4）。同時(shí)，輸入的電壓范圍2.7 ～13 V、設(shè)置10 A開關(guān)電流能力，最高能提供13 V的輸出電壓。本設(shè)計(jì)采用5 V的電壓輸出值即可。

圖4 升壓轉(zhuǎn)換器HT7167芯片

HT7167 是自適應(yīng)的，能夠恒定電壓，具體表現(xiàn)為采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方式，關(guān)斷時(shí)間峰值電流控制來調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)負(fù)載中等條件下，HT7167 工作在PWM模式。在沒有高負(fù)載的情況下，該器件具有兩種工作模式，必須通過MODE 引腳進(jìn)行選擇：①PFM 模式可提高效率［12］；②強(qiáng)制PWM 模式可避免開關(guān)頻率較低而引發(fā)的各種問題的（見圖5）。PWM 模式下，支持0.2 ～1.4 MHz，開關(guān)頻率可通過外部電阻調(diào)節(jié)HT7167［13］。

圖5 HT7167電路設(shè)計(jì)

3 整體電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)電路采用了超級(jí)電容充電芯片CN3125 和升壓芯片HT7167。該器件具有0.1 ～1.4 MHz的寬可調(diào)開關(guān)頻率。開關(guān)頻率由連接在HT7167 的FSW 引腳和SW 引腳之間的電阻RFREQ設(shè)置。必須始終將RFREQ從FSW引腳連接到SW引腳，以確保正常工作。可以通過以下公式計(jì)算

式中：CFREQ＝23 pF；fSW是所需的開關(guān)頻率；延遲時(shí)間tDELAY為89 ns。

為了避免意外的大峰值電流，采用了內(nèi)部逐周期電流限制。一旦開關(guān)電流達(dá)到極限，低側(cè)開關(guān)將立即關(guān)閉。可以通過ILIM引腳上的電阻RILIM來設(shè)置峰值開關(guān)電流限制。電流極限和電阻之間的關(guān)系：

輸出電壓由外部電阻分壓器（典型應(yīng)用電路中的RUP，RDN）設(shè)置（見表1）。要獲得輸出電壓UOUT，可由下式計(jì)算

表1 輸出電壓與外接電阻的關(guān)系

式中，UREF＝1.204 V。

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計(jì)算：設(shè)置交叉頻率fC。交叉頻率越高，環(huán)路響應(yīng)越快。環(huán)路增益的交叉頻率不高于開關(guān)頻率fsw的1/10 或fRHpz頻率的1/5 中的較低者。

對(duì)于fC，使用10 kHz的固定參數(shù)：

設(shè)置補(bǔ)償電阻

設(shè)置補(bǔ)償零電容

設(shè)置補(bǔ)償極電容

電流恒定情況下，ISET引腳的阻抗可能也會(huì)產(chǎn)生影響，使得工作不穩(wěn)定。但是在沒有附加電容時(shí)，電流設(shè)定的最大阻值是50 kΩ，ISET的引腳頻率將保持在200 kHz以上。而且CBST 是位于設(shè)備引腳上的高質(zhì)量、低ESR 的陶瓷電容器，以最大程度地減小由走線電感引起的潛在破壞性電壓瞬變。因此在大多數(shù)的情況下，選取0.1 μF完成指定要求（見圖6）。

圖6 理論充電圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4.1 CN3125 充電電路測(cè)試

通過萬用表對(duì)單個(gè)超級(jí)電容的兩端電壓進(jìn)行測(cè)試。該芯片通過對(duì)外接電阻的選擇來控制調(diào)節(jié)電壓，從而控制超級(jí)電容的充電方式。

4.2 HT7167 供電電路測(cè)試

對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電后，將HT7167 供電電路的輸出端連接到功率20 W 阻值為5 Ω 的電阻兩端，作為負(fù)載對(duì)供電電路進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖7 所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出，該部分能夠在較短的時(shí)間內(nèi)為負(fù)載提供電能。

圖7 供電電路部分的放電波形

5 結(jié) 語

基于超級(jí)電容國產(chǎn)化的掉電監(jiān)測(cè)和延時(shí)供電系統(tǒng)，是一種含有超級(jí)電容儲(chǔ)能的不間斷電源。主要用于電源穩(wěn)定性要求較高的彈載記錄儀設(shè)備上以提供UPS的電源。

基于完全國產(chǎn)化的超級(jí)電容在突然發(fā)生掉電的情況下提供短時(shí)間的供電，保障設(shè)備能夠在突然掉電的情況下的能夠及時(shí)得保存數(shù)據(jù)。其中掉電監(jiān)測(cè)和延時(shí)供電部分是該電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，掉電監(jiān)測(cè)和延時(shí)供電的可靠性直接影響到設(shè)備的數(shù)據(jù)安全。目前該系統(tǒng)已裝載在彈載記錄儀上，對(duì)于設(shè)備的延時(shí)數(shù)據(jù)采集供電及國產(chǎn)率的提高具有十分重要的意義［14-15］。

·名人名言·

只有嚴(yán)格的專業(yè)化能使學(xué)者在某一時(shí)刻，大概也是他一生中唯一的時(shí)刻，相信自己取得了一項(xiàng)真正能夠傳至久遠(yuǎn)的成就。今天，任何真正明確而有價(jià)值的成就，肯定也是一項(xiàng)專業(yè)成就。

——馬克斯·韋伯