火箭試驗(yàn)彈電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 遠(yuǎn)，印 姍，張 成，聶 飛，羅承剛

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，綿陽 621900）

火箭試驗(yàn)彈具有與火箭彈相似的結(jié)構(gòu)，主要用于火箭的診斷飛行試驗(yàn)?；鸺囼?yàn)彈的彈載電源系統(tǒng)，主要為試驗(yàn)彈的服役系統(tǒng)（姿態(tài)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)等）提供工作電源，其性能和可靠性直接影響著火箭試驗(yàn)彈的性能和火箭試驗(yàn)的完成[1]。

目前用于火箭試驗(yàn)的彈載供電系統(tǒng)，一般采用一次性熱電池作為供電電源。其優(yōu)點(diǎn)是具有較好的溫度適應(yīng)性，且瞬時(shí)功率較大。但是由于熱電池是一次性電源，使得火箭試驗(yàn)彈上的各服役系統(tǒng)在地面試驗(yàn)時(shí)，需要采用外部電源供電，以測試各電子系統(tǒng)的電氣性能[2]。這種一次性熱電池結(jié)合外部地面電源供電實(shí)現(xiàn)的模擬性能測試，具有兩方面的缺點(diǎn)：①外部地面電源供電與真正的飛行試驗(yàn)供電具有一定的差距，難以測評(píng)彈載電子設(shè)備在彈載電源系統(tǒng)供電情況下的實(shí)際工作性能；②無法對(duì)彈載電源系統(tǒng)的電池及配套電路進(jìn)行多次、可重復(fù)的性能考核。

針對(duì)以上兩方面缺點(diǎn)，本文根據(jù)火箭試驗(yàn)的特點(diǎn)，介紹一種具有可重復(fù)充電的彈載電源系統(tǒng)。該電源系統(tǒng)采用可充電鋰電池組供電，可選擇地面電源對(duì)彈載服役電子設(shè)備供電，也可根據(jù)控制命令，轉(zhuǎn)換為電源系統(tǒng)本身電池組供電。此外，針對(duì)傳統(tǒng)彈載電源系統(tǒng)功能單一的問題，本文采用MCU作為控制核心，實(shí)現(xiàn)多路電源電壓的實(shí)時(shí)采樣檢測；具備電池組溫度、容量、電流等多信息實(shí)時(shí)檢測功能，可實(shí)現(xiàn)電池組低電量自檢報(bào)警；具有CAN總線雙工通信功能，可與彈上程控設(shè)備及地面控制設(shè)備通信，以實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的外部檢測及控制。經(jīng)測試，該電源系統(tǒng)各方面參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，將用于某型火箭試驗(yàn)彈。

1 電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所述電源系統(tǒng)包括反接過壓保護(hù)模塊、充電模塊、聚合物鋰電池組、電源選擇切換電路、測控模塊、CAN通信模塊及電壓轉(zhuǎn)換模塊等功能組件，如圖1所示。

圖1 電源系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Block diagram of the power system

地面電源通過電源連接器接入電源系統(tǒng)，與反接及過壓保護(hù)電路相連；反接過壓保護(hù)電路為電源系統(tǒng)提供過壓、欠壓及-40 V反接保護(hù)，其輸出分別接入充電模塊及電源選擇切換電路；充電模塊及電源選擇切換電路受測控模塊的控制，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池組充電及電源切換的功能；測控模塊對(duì)電池組及關(guān)鍵電源路徑的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，其與CAN通信模塊的連接采用光電隔離；CAN通信模塊接收試驗(yàn)彈彈上CAN總線上的控制指令，測控模塊依據(jù)控制指令完成相應(yīng)的動(dòng)作，并反饋各類檢測數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 反接及過壓保護(hù)

在實(shí)際電子電路系統(tǒng)中，直流功率電源的接入需要考慮接入過程中人為疏忽導(dǎo)致的正負(fù)反接情況，電源反接有可能使電路系統(tǒng)中各功能組件失效。傳統(tǒng)的直流反接及過壓保護(hù)一般采用功率二極管結(jié)合齊納二極管實(shí)現(xiàn)，由于功率二極管正向?qū)▔航?，?dāng)接入大電流時(shí)，二極管上大的發(fā)熱量導(dǎo)致系統(tǒng)電源效率低，而且影響了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

本文采用LTC4367電源保護(hù)控制芯片實(shí)現(xiàn)反接及過壓保護(hù)電路，其電路原理如圖2所示。LTC436是美國LINEAR Technology公司生產(chǎn)的高性能電源管理器。其輸入直流電壓范圍達(dá)到-40 V～100 V，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)及反接保護(hù)功能，滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。

圖2 反接及過壓保護(hù)電路Fig.2 Schematic of the reverse and overvoltage supply protection circuit

該電路通過檢測欠壓檢測端UV和過壓檢測端OV的電壓，在GATE端產(chǎn)生上拉或下拉電流，使得N溝道MOS管M1和M2開啟或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)欠壓、過壓及反接保護(hù)功能。由于功率型N溝道MOS管漏源導(dǎo)通電阻 RDS（on）僅為毫歐量級(jí)，而LTC4367的靜態(tài)工作電流僅為幾十微安量級(jí)，所以該電路的整體功耗遠(yuǎn)小于采用功率二極管串接的反接保護(hù)電路。該電路分壓網(wǎng)絡(luò)滿足公式：

式中，電阻R1和R2由LTC4367數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，典型值為R1+R2=300 kΩ。經(jīng)過實(shí)際測試，對(duì)-40 V～80 V的輸入電壓，其實(shí)測輸出特性如圖3所示。

圖3 反接過壓保護(hù)電路輸出測試結(jié)果Fig.3 Measured output curve of reverse and overvoltage supply protection circuit

2.2 電源選擇切換

電源系統(tǒng)在接入地面電源前，無供電電壓輸出；當(dāng)接入滿足過壓、欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)要求的地面電源后，電源系統(tǒng)將采用地面電源供電；根據(jù)測控模塊的指令，電源選擇切換實(shí)現(xiàn)地面電源與鋰電池組的受控可逆切換。且在電源狀態(tài)切換時(shí)，保證不間斷的輸出供電。

本系統(tǒng)中，電源選擇切換電路采用LINEAR公司的LTC4416低損耗雙路電源控制芯片實(shí)現(xiàn)。LTC4416是一種高效的電源切換電路，在雙路供電系統(tǒng)的高可靠系統(tǒng)中為傳統(tǒng)的肖特基“或”二極管電路提供低電壓損耗的替代方案。通過控制外部P溝道MOS管，LTC4416可實(shí)現(xiàn)超低壓降（25 mV）二極管功能。其快速開啟及關(guān)斷的特性，使得電源快速切換過程中無逆向電流產(chǎn)生。電源選擇切換電路如圖4所示。其中V1接鋰電池組的輸出，V2接反接保護(hù)電路的輸出VOUT，電路的輸出 VS接入電壓轉(zhuǎn)換模塊。E1和E2為分別為電池組供電和地面供電的使能控制端，與測控模塊相連。

圖4 電源選擇切換電路Fig.4 Circuit diagram of powerpath switching module

測控電路通過E1及E2，控制LTC4416的G1及G2管腳產(chǎn)生上拉及下拉電流，關(guān)閉或開啟P溝道MOS管M3～M6。由于LTC4416在雙通道電源均使能時(shí)，會(huì)根據(jù)輸入V1及V2的電平，自動(dòng)選擇更高電平的輸入對(duì)后端供電；且在其中更高電平的輸入斷電的情況下，能夠快速開啟備用電源通道，所以本電路可實(shí)現(xiàn)兩路電源的可控、平穩(wěn)切換，且切換過程中無逆向電流產(chǎn)生。

2.3 測控及通訊

測控及通訊功能模塊，以TI公司的MSP430F169微控制器[3]及MICROCHIP公司的MCP2515獨(dú)立CAN控制器為核心實(shí)現(xiàn)[4]。其中MSP430F169內(nèi)部集成AD轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中關(guān)鍵信號(hào)的采集。微控制器與CAN控制器之間的連接采用串行外設(shè)接口 SPI（serial peripheral interface）。MCP2515 與CAN收發(fā)器SN65HVD230M之間則通過高速光耦實(shí)現(xiàn)光電隔離。整體電路框圖如圖5所示。

圖5 測控及通信模塊原理Fig.5 Schematic of the measurement and control circuit combined with communication module

上電后復(fù)位，MSP430F169通過內(nèi)部集成的SPI接口，配置和讀取MCP2515內(nèi)部特定寄存器，實(shí)現(xiàn)符合CAN 2.0B技術(shù)規(guī)范的彈上總線通信。當(dāng)接收到控制命令后，測控模塊通過控制電源選擇切換電路，完成系統(tǒng)供電電源的切換。此外，MSP430F169采用GPIO模擬單線DQ通訊協(xié)議的方式，與電池組內(nèi)部保護(hù)芯片實(shí)現(xiàn)單線通訊，測量鋰電池組的電壓、輸出電流、溫度以及剩余電量；依靠MSP430F169內(nèi)部集成的8通道12位200 kS/s模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及外圍分壓電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)關(guān)鍵電壓的檢測。

通過CAN總線，可對(duì)電源系統(tǒng)的輸入、輸出及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。在火箭試驗(yàn)彈地面試驗(yàn)及飛行試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，一旦出現(xiàn)問題可以及時(shí)中斷迅速定位問題，提高火箭彈試驗(yàn)的可控及可測性，保障了試驗(yàn)的成功進(jìn)行。

3 系統(tǒng)工作流程

本文所述電源系統(tǒng)的主要工作流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)工作流程Fig.6 Flow chart of the system

該電源系統(tǒng)共有3種工作狀態(tài)：

（1）待機(jī)狀態(tài)。是電源系統(tǒng)整體裝配后的儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程中及試驗(yàn)前的準(zhǔn)備狀態(tài)。該狀態(tài)保證了火箭試驗(yàn)彈組裝過程中各彈載服役電子設(shè)備處于關(guān)斷狀態(tài)，減少了電源系統(tǒng)中聚合物鋰電池組的充、放電循環(huán)次數(shù)，延長了電源系統(tǒng)的使用壽命。

（2）地面試驗(yàn)狀態(tài)。是火箭試驗(yàn)彈地面試驗(yàn)中考核各彈載服役設(shè)備性能的試驗(yàn)狀態(tài)。當(dāng)電源模塊接入功率地面電源后，將自動(dòng)從待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入地面試驗(yàn)狀態(tài)。此時(shí)電源系統(tǒng)向彈載服役系統(tǒng)提供多路穩(wěn)壓電源。在該狀態(tài)下，電源系統(tǒng)通過CAN總線與程序控制系統(tǒng)及地面控制設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控電源系統(tǒng)各組件的狀態(tài)。地面控制人員可根據(jù)監(jiān)測到的電池組狀態(tài)對(duì)電池組進(jìn)行可控充電。

（3）飛行試驗(yàn)狀態(tài)。是火箭試驗(yàn)彈飛行試驗(yàn)的狀態(tài)。在地面實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，電源系統(tǒng)及各彈載服役系統(tǒng)均通過性能考核，并完成自檢后，地面控制人員通過CAN總線向電源系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)指令，完成地面電源與自身電源的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換過程由控制模塊與電源選擇切換電路完成，電源系統(tǒng)在轉(zhuǎn)電過程中對(duì)各負(fù)載電子設(shè)備提供連續(xù)不間斷供電。

以上3種狀態(tài)可根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)要求，由地面控制人員完成遠(yuǎn)程狀態(tài)切換，保證試驗(yàn)的安全及可控。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)以MSP430微控制器作為控制核心單元，包含以LTC4367實(shí)現(xiàn)的反接過壓保護(hù)電路，以電源控制器芯片LTC4416實(shí)現(xiàn)的電源選擇切換電路，以及基于MCP2515的CAN通信模塊等功能模塊。采用可重復(fù)充電電源設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了火箭試驗(yàn)彈彈載電子設(shè)備在實(shí)際供電狀況下性能評(píng)估及測試，并能針對(duì)電源系統(tǒng)電路及電池組的性能進(jìn)行多次可重復(fù)考核。本系統(tǒng)通過CAN總線與彈上程序控制裝置及地面控制終端通訊，根據(jù)控制指令完成不同工作模式的切換，可實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)內(nèi)部各關(guān)鍵參數(shù)。提高火箭試驗(yàn)的可控及可測性。目前該系統(tǒng)以完成各項(xiàng)測試，將用于某型火箭試驗(yàn)彈的試驗(yàn)。

[1]李春麗，石云國，鄧克文，等.火箭試驗(yàn)彈振動(dòng)試驗(yàn)條件分析[J].裝備環(huán)境工程，2010，7（4）：32-35.

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