國產(chǎn)化超級電容的掉電檢測和延時系統(tǒng)設計

王澤港， 王康誼

（中北大學信息與通信工程學院，太原 030051）

0 引 言

隨著軍事技術的提升，傳統(tǒng)的戰(zhàn)爭方式由原來的轟炸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檐娛卵b備的遠距離精確打擊，其中最常用的武器便是導彈［1］。由此對導彈的飛行狀態(tài)、飛行參數(shù)的記錄都相關重要，而彈載記錄儀存儲測試裝置體積小、質(zhì)量輕、便于安裝，采集到的數(shù)據(jù)更為大量和準確、實驗過程更加安全而被廣泛應用［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，將直接影響對于導彈的性能測試。除此之外，在實驗過程中彈載記錄儀也存在工作狀態(tài)穩(wěn)定性不好，在外界干擾嚴重或惡劣的天氣情況下會突然自動掉電，從而給數(shù)據(jù)的采集造成損害，無法完整地記錄導彈參數(shù)［3-4］。不僅給實驗測試帶來不便，而且嚴重的事故還會帶來巨大的經(jīng)濟損失。

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彈記錄儀測試時，試驗造成的不必要的危害和經(jīng)濟損失，國產(chǎn)化超級電容的掉電檢測和延時系統(tǒng)應運而生［5］。

1 系統(tǒng)設計

由于彈載記錄儀供電電路在復雜的情況下會出現(xiàn)掉電，從而出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，應采取相關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)測和延時供電系統(tǒng)是掉電保護設計的關鍵，為瞬時數(shù)據(jù)保護和短時不間斷電源（UPS）切換提供電源保障［6］。本設計主要采用超級電容和升壓轉(zhuǎn)換器國產(chǎn)芯片，根據(jù)其電氣特性完成電路設計，實現(xiàn)了掉電監(jiān)測和延時供電系統(tǒng)的設計，其設計框圖如圖1 所示。

圖1 整體系統(tǒng)設計

通過分析彈載記錄儀會在何時突然掉電及掉電后的各種參數(shù)顯示，提出應該在掉電時發(fā)出預警的新方案，從而引出在掉電后需要電壓延時供電的思路。同時，研究分析不同系統(tǒng)在掉電后的工作時間，以達到在恢復供電時，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)測功能。當系統(tǒng)電壓出現(xiàn)掉電時，能輸出電壓掉電指示信號；

（2）具有延時供電功能。利用超級電容組作為儲能元件，當系統(tǒng)電壓中斷時，能夠提供備用電壓；

（3）能夠?qū)Τ夒娙葸M行恒功率充電，自動進行充放電控制；

（4）能夠?qū)Τ夒娙莸姆烹娺M行壓值變換，恒定輸出電壓；電路要求全部采用國產(chǎn)元器件設計。

2 電路設計

2.1 超級電容充電芯片

根據(jù)本系統(tǒng)功能要求及存儲電能的工作時間等，分析了彈載記錄儀承受的工作功率、工作電壓、負載要求等［7］，同時根據(jù)超級電容組的選值分析，本設計選用CN3125 芯片（見圖2）。

圖2 超級電容充電CN3125芯片

國產(chǎn)CN3125 芯片是一種完整的恒流/恒量標簽充電器IC，從2.7 ～6 V的電源充電單元或2 單元超級電容器。該器件包含片上功率MOSFET，沒有外部感測電阻、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置［8］，同時外部設置可以用單個電阻器充電電流的有源平衡電路，在每個超級電容器上，保持相等的電壓。當輸入電源移除時，CN3125 將超級電容器電流降到小于3 μA，進入低功耗狀態(tài)（見圖3）。

圖3 CN3125電路設計

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)芯片中應用最多的升壓轉(zhuǎn)換器，選擇了合適的升壓芯片也讓本設計的電路變得簡單，且滿足設計的基本要求［9-10］。本設計采用HT7167，它不僅全集成升壓轉(zhuǎn)換器，而且柵極驅(qū)動帶有負載關斷功能，為彈載記錄儀系統(tǒng)的裝配提供結構簡單、體積小的解決方法［11］（見圖4）。同時，輸入的電壓范圍2.7 ～13 V、設置10 A開關電流能力，最高能提供13 V的輸出電壓。本設計采用5 V的電壓輸出值即可。

圖4 升壓轉(zhuǎn)換器HT7167芯片

HT7167 是自適應的，能夠恒定電壓，具體表現(xiàn)為采用拓撲結構的方式，關斷時間峰值電流控制來調(diào)節(jié)輸出電壓。當負載中等條件下，HT7167 工作在PWM模式。在沒有高負載的情況下，該器件具有兩種工作模式，必須通過MODE 引腳進行選擇：①PFM 模式可提高效率［12］；②強制PWM 模式可避免開關頻率較低而引發(fā)的各種問題的（見圖5）。PWM 模式下，支持0.2 ～1.4 MHz，開關頻率可通過外部電阻調(diào)節(jié)HT7167［13］。

圖5 HT7167電路設計

3 整體電路設計

本設計電路采用了超級電容充電芯片CN3125 和升壓芯片HT7167。該器件具有0.1 ～1.4 MHz的寬可調(diào)開關頻率。開關頻率由連接在HT7167 的FSW 引腳和SW 引腳之間的電阻RFREQ設置。必須始終將RFREQ從FSW引腳連接到SW引腳，以確保正常工作?？梢酝ㄟ^以下公式計算

式中：CFREQ＝23 pF；fSW是所需的開關頻率；延遲時間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。一旦開關電流達到極限，低側開關將立即關閉。可以通過ILIM引腳上的電阻RILIM來設置峰值開關電流限制。電流極限和電阻之間的關系：

輸出電壓由外部電阻分壓器（典型應用電路中的RUP，RDN）設置（見表1）。要獲得輸出電壓UOUT，可由下式計算

表1 輸出電壓與外接電阻的關系

式中，UREF＝1.204 V。

補償網(wǎng)絡參數(shù)計算：設置交叉頻率fC。交叉頻率越高，環(huán)路響應越快。環(huán)路增益的交叉頻率不高于開關頻率fsw的1/10 或fRHpz頻率的1/5 中的較低者。

對于fC，使用10 kHz的固定參數(shù)：

設置補償電阻

設置補償零電容

設置補償極電容

電流恒定情況下，ISET引腳的阻抗可能也會產(chǎn)生影響，使得工作不穩(wěn)定。但是在沒有附加電容時，電流設定的最大阻值是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 實驗測試結果

4.1 CN3125 充電電路測試

通過萬用表對單個超級電容的兩端電壓進行測試。該芯片通過對外接電阻的選擇來控制調(diào)節(jié)電壓，從而控制超級電容的充電方式。

4.2 HT7167 供電電路測試

對超級電容進行充電后，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，作為負載對供電電路進行測試，結果如圖7 所示。根據(jù)測試結果可以看出，該部分能夠在較短的時間內(nèi)為負載提供電能。

圖7 供電電路部分的放電波形

5 結 語

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

基于完全國產(chǎn)化的超級電容在突然發(fā)生掉電的情況下提供短時間的供電，保障設備能夠在突然掉電的情況下的能夠及時得保存數(shù)據(jù)。其中掉電監(jiān)測和延時供電部分是該電源設計的關鍵，掉電監(jiān)測和延時供電的可靠性直接影響到設備的數(shù)據(jù)安全。目前該系統(tǒng)已裝載在彈載記錄儀上，對于設備的延時數(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·

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

——馬克斯·韋伯