便攜式光電探測(cè)裝備電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李寶珺，李 敏，胡正良

（1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065；2.山東北方光學(xué)電子有限公司，山東 泰安 271000）

0 引言

隨著光電裝備信息化程度的提高，裝備中所包含的傳感器越來(lái)越多、電子系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，裝備電能的消耗量也越大［1］。美國(guó)陸軍進(jìn)行了一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，在一個(gè)為期5 d 的戰(zhàn)斗任務(wù)中，美軍士兵平均每天消耗88 節(jié)AA 型電池，主要為其武器瞄具、夜視裝備、導(dǎo)航設(shè)備和個(gè)人電臺(tái)供電。加拿大陸軍的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在2006 年阿富汗“美杜莎”行動(dòng)中，一個(gè)步兵連在兩個(gè)星期內(nèi)共消耗了17 500 節(jié)AA 型電池［2］。根據(jù)目前裝備用電情況，國(guó)內(nèi)手持式/便攜式裝備同樣存在類似情況。因此，提供性能優(yōu)越的電源管理控制方案，不僅能延長(zhǎng)裝備續(xù)航能力，提高士兵生存能力，而且能節(jié)省任務(wù)完成成本。

針對(duì)項(xiàng)目在研的便攜式光電探測(cè)裝備功耗戰(zhàn)技要求，需設(shè)計(jì)一種系統(tǒng)電源系統(tǒng)，既可保證裝備長(zhǎng)續(xù)航使用需求，又能滿足工程化實(shí)施要求。

1 便攜式光電探測(cè)裝備電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

一般情況下，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含系統(tǒng)電源選型、節(jié)能設(shè)計(jì)和電源管理組件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)電源提供設(shè)備用電所需電能；節(jié)能設(shè)計(jì)可提高電源能源利用效率；電源管理組件則用于給裝備內(nèi)各組件有效分配電能，使其在任務(wù)周期內(nèi)順利完成作戰(zhàn)任務(wù)。

1.1 系統(tǒng)電源選型

為能給便攜式裝備提供質(zhì)量體積小、能量密度高、可靠、便攜、熱隱蔽性強(qiáng)的電源，各國(guó)都在積極探索，利用新能源、新技術(shù)完成單兵裝備可用的新型電源研發(fā)。主要有以下種類：

鋰電池：一次或者二次鋰電池在單兵裝備中的應(yīng)用由來(lái)已久。較之于其他電池，鋰電池具有能量密度高，單體電池電壓高，自放電小等優(yōu)點(diǎn)，是軍用電池的新寵。

燃料電池：是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。

人力供電：人體可以以不同的方式來(lái)提供能量，但考慮到對(duì)人的影響和可能的功率，最有可能應(yīng)用到軍事上的是手臂運(yùn)動(dòng)和腿部運(yùn)動(dòng)，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率低。

超級(jí)電容：電化學(xué)電容器又稱超級(jí)電容，是一種介于傳統(tǒng)的物理電容器和可充電電池之間的一種新型的儲(chǔ)能裝置。

太陽(yáng)能發(fā)電：是將太陽(yáng)集能嵌板，與一個(gè)可充電的鋰電池集成在一起，用于收集太陽(yáng)輻射的能量，并轉(zhuǎn)化為可直接使用的電能的儲(chǔ)能裝置。以此來(lái)減少部隊(duì)使用一次或者二次鋰電池作為電源而產(chǎn)生行軍拋棄物的作戰(zhàn)痕跡，使部隊(duì)更加適合遠(yuǎn)征需求，降低燃料消耗，也能夠節(jié)約成本［3］。

上述各可攜行電源能力情況表，如表1 所示。

表1 可攜行電源能力情況表

由于項(xiàng)目在研裝備需全天候工作，對(duì)威脅目標(biāo)進(jìn)行主動(dòng)搜索、觀察、告警、監(jiān)視等，并主要用于單兵偵察領(lǐng)域，執(zhí)行潛入偵察、反狙擊、反偵察等特種作戰(zhàn)任務(wù)。根據(jù)其作戰(zhàn)環(huán)境、任務(wù)內(nèi)容、便攜性要求，需要其具有集成度高、體積小、重量輕的特點(diǎn)。因此，通過(guò)分析了解以上電池特點(diǎn)，最終系統(tǒng)電源選用了常用的18650 型鋰電池。

1.2 節(jié)能設(shè)計(jì)方法

分層設(shè)計(jì)的思想［3］在解決復(fù)雜系統(tǒng)能量節(jié)省問(wèn)題上是一種有效途徑，如圖1 所示。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)也可采用這種設(shè)計(jì)思想，包括系統(tǒng)級(jí)能量需求分析、應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)、片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路與模塊設(shè)計(jì)等。每個(gè)層級(jí)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)盡可能采用相應(yīng)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可有效提高整個(gè)裝備能源利用效率。

圖1 能量節(jié)省層級(jí)設(shè)計(jì)

為保證電源能量高效利用，便攜式光電裝備內(nèi)部含有多個(gè)傳感器、電子部件。進(jìn)行系統(tǒng)電源管理設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)上要識(shí)別多傳感器裝備功能、電性能、功耗等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)；進(jìn)行電源系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)裝備完成任務(wù)使命、工作模式、工況確定內(nèi)部各組件電源內(nèi)控指標(biāo)；同時(shí)，考慮利用軟件完成電源管理功能性實(shí)現(xiàn)，再優(yōu)化權(quán)衡硬件電路設(shè)計(jì)，盡力提高系統(tǒng)能源利用效率。

1.3 電源管理設(shè)計(jì)

除裝備電源選型設(shè)計(jì)、節(jié)能設(shè)計(jì)外，通過(guò)電源管理設(shè)計(jì)，降低裝備功耗，做好各傳感器用電管控也是提升裝備工作續(xù)航能力的手段。

1.3.1 系統(tǒng)電源管理設(shè)計(jì)思路

1）分析裝備內(nèi)各傳感器的用電需求，如：輸入電壓、系統(tǒng)總的功耗、分系統(tǒng)工作所需電壓、工作電流電流、電源轉(zhuǎn)換效率；對(duì)負(fù)載瞬態(tài)變化的響應(yīng)能力、關(guān)鍵器件對(duì)電源波動(dòng)的容忍范圍以及散熱等。

2）在負(fù)載不變的情況下，提高電源轉(zhuǎn)換效率，減少熱損耗，降低總功耗。

3）電源對(duì)于負(fù)載瞬態(tài)變化要有快速響應(yīng)能力。因?yàn)橐恍└咝阅蹸PU 開始運(yùn)行繁重的任務(wù)時(shí)，需要的工作電流較大，若電源響應(yīng)速度不夠，造成瞬間電壓下降過(guò)多，會(huì)造成CPU 運(yùn)行出錯(cuò)。若裝備中含激光器，其發(fā)射瞬間對(duì)電源系統(tǒng)的輸出電流能力遠(yuǎn)高于其他時(shí)候，若電源放電能力不夠，會(huì)造成激光器工作異常。

1.3.2 電壓轉(zhuǎn)換器選擇

通常系統(tǒng)電源輸出電壓會(huì)隨使用時(shí)間增加而不斷下降，且各傳感器工作電壓不同，這就需要具有穩(wěn)壓功能的電壓轉(zhuǎn)換器維持各分系統(tǒng)所需工作電壓。主要有以下兩種：一種是線性穩(wěn)壓器，通過(guò)壓控電流源，將輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)固定電壓上。類型有：標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器（達(dá)林頓晶體管）、低壓降穩(wěn)壓器（LDO 穩(wěn)壓器）等。其中，維持輸出電壓穩(wěn)定所需的壓差，LDO 穩(wěn)壓器比標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器小很多。另一種是開關(guān)穩(wěn)壓器，將輸入電壓降低、升高或反向轉(zhuǎn)換后穩(wěn)壓輸出，且其轉(zhuǎn)換效率高于線性穩(wěn)壓器［4］。兩者的區(qū)別如表2 所示。

表2 線性穩(wěn)壓器與開關(guān)穩(wěn)壓器之間的區(qū)別

裝備內(nèi)的各分系統(tǒng)都有自己的恒定工作電壓，通過(guò)相關(guān)電源需求分析，可選擇合適的電壓轉(zhuǎn)換器獲取相應(yīng)工作電壓。裝備外部電源后端多選擇有較高轉(zhuǎn)換效率的開關(guān)穩(wěn)壓器完成系統(tǒng)級(jí)工作電壓獲取。而系統(tǒng)內(nèi)部各分系統(tǒng)工作電壓則通過(guò)相應(yīng)的具體電源要求選擇開關(guān)穩(wěn)壓器或線性穩(wěn)壓器來(lái)獲取。

1.3.3 負(fù)載供電管理

為了減少裝備電源能量消耗，并避免在峰值電流時(shí)失去穩(wěn)壓作用，電源系統(tǒng)可通過(guò)內(nèi)阻足夠小的電子開關(guān)（如MOS 繼電器和pFET 開關(guān)）完成電源負(fù)載管控［5］；或者使用具有邏輯開/關(guān)端口的穩(wěn)壓器，通過(guò)控制邏輯狀態(tài)值完成穩(wěn)壓器的輸出控制?？稍谘b備中每個(gè)需要獨(dú)立管控的供電電路選擇這樣的穩(wěn)壓器，也可實(shí)現(xiàn)多負(fù)載管理。

1.3.4 降低微處理器的功耗

信息化裝備中，信息處理單元會(huì)含有單個(gè)或多個(gè)嵌入式系統(tǒng)處理器，其也是主要的功耗負(fù)載。應(yīng)用過(guò)程中可通過(guò)以下手段降低對(duì)系統(tǒng)功耗的影響：

1）選擇低功耗的微處理器。許多微處理器廠商都推出了低功耗/超低功耗處理器芯片，如美國(guó)TI公司MSP430 系列、NXP 公司ARM Cortex-M0 系列等，都能在低電壓和低頻率狀態(tài)工作。

2）選擇合適的數(shù)據(jù)總線寬度。單根數(shù)據(jù)總線功耗計(jì)算如下：

其中，α 是活動(dòng)因子；CL是負(fù)載電容；VDD是電源電壓；f 是工作頻率。

由式（1）可知，數(shù)據(jù)總線的每條線都會(huì)有功耗，總線寬度越寬，功耗越大。比如：當(dāng)總線頻率為4 MHz、總線電壓為3.3 V 時(shí)，16 bit 總線和8 bit 總線間功耗差為3.7 mW。

3）選擇低工作電壓和時(shí)鐘頻率。器件功耗與工作電壓的平方成正比。當(dāng)供電電壓由5 V 降到3.3 V時(shí)，功耗將減少50%以上；當(dāng)電壓降低到1.8 V 時(shí)，功耗將減少80%以上［6］。

4）關(guān)閉微處理器內(nèi)部不使用的外設(shè)控制器。根據(jù)使用情況切換微處理器工作模式，如進(jìn)入“低功耗”模式來(lái)降低自身功耗。

5）采用高效率的軟件算法。如：使用短數(shù)據(jù)類型、避免浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、算到需要精度、“移位”運(yùn)算代替“乘除”運(yùn)算、任務(wù)執(zhí)行用“中斷”方式代替“查詢”的程序等，減少CPU 的運(yùn)算量。

2 一種便攜式裝備電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

2.1 裝備電源管理系統(tǒng)需求分析

根據(jù)項(xiàng)目在研的便攜式光電探測(cè)裝備研制任務(wù)需求，其具有3 種工作模式：關(guān)機(jī)模式、開機(jī)模式和低功耗/待機(jī)模式。關(guān)機(jī)模式即裝備關(guān)閉所有用電組件供電，停止正常工作；開機(jī)模式即根據(jù)不同作戰(zhàn)任務(wù)，裝備內(nèi)組件在相應(yīng)的指令操作下可執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)；低功耗/待機(jī)模式即1 min 內(nèi)若無(wú)操作或控制命令，切換到此模式，此模式下，裝備內(nèi)非必要工作組件“下電”或進(jìn)入“低功耗”等非耗電狀態(tài)。但當(dāng)點(diǎn)擊設(shè)備上某按鈕都可將系統(tǒng)復(fù)位到開機(jī)模式，圖像重新恢復(fù)。這些模式中各傳感器組件通電/斷電的實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)具有多狀態(tài)的電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)切換，同時(shí)為滿足使用需要，裝備應(yīng)具有剩余電量顯示、低電量告警、裝備按鍵響應(yīng)（主要是電子開關(guān)的邏輯操作）等功能［7-8］，這就需要一個(gè)電源管理板（組件）來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

2.2 裝備電源管理控制板（組件）詳細(xì)設(shè)計(jì)

電源管理控制板（組件）主要完成對(duì)整個(gè)設(shè)備各模塊所需工作電壓的轉(zhuǎn)換、供電分配和動(dòng)態(tài)管理，其功能包括：

1）對(duì)來(lái)自裝備主控模塊的指令進(jìn)行響應(yīng)。如電源系統(tǒng)自檢、剩余電量查詢指令。

2）實(shí)現(xiàn)裝備電池電量監(jiān)控和剩余供電能力評(píng)估。當(dāng)電量較低時(shí)，及時(shí)上報(bào)裝備主控模塊，供其參考執(zhí)行相應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)保護(hù)操作。

3）對(duì)裝備按鍵行為進(jìn)行響應(yīng)。如長(zhǎng)按電源按鍵進(jìn)行關(guān)機(jī)和開機(jī)，掃描其他按鍵行為，有動(dòng)作時(shí)，分析按鍵值編碼后進(jìn)行電子開關(guān)通電/斷電操作；長(zhǎng)時(shí)間無(wú)按鍵操作時(shí)，關(guān)閉各子模塊的供電，節(jié)省功耗，直到有任何系統(tǒng)喚醒操作。

2.2.1 電源管理控制板（組件）硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備電源管理控制板（組件）的原理框圖如2所示［9-10］。

圖2 電源管理控制板（組件）原理框圖

低功耗處理器模塊為電源管理控制板（組件）核心，根據(jù)應(yīng)用需求，選擇了TI 公司超低功耗16 位單片機(jī)MSP430F1611，正常工作電流為330 uA，低功耗模式時(shí)僅為1.1 uA，低功耗下喚醒只需5 μs，含多路I/O 接口、可靈活設(shè)置工作模式的通信串口。它負(fù)責(zé)各個(gè)分系統(tǒng)傳感器的分區(qū)分時(shí)供電、面板按鍵響應(yīng)，及與設(shè)備系統(tǒng)主控模塊通信工作。

電池監(jiān)控模塊采用集成電路DS2788，用于對(duì)設(shè)備供電電池狀態(tài)的監(jiān)控。

電壓變換器的選擇：

1）+12 V 電壓獲取，選擇開關(guān)穩(wěn)壓器LM22679，4.5 V～42 V 寬電壓輸入，輸出電流5 A，保證在電池輸出電壓隨設(shè)備使用而下降時(shí)，穩(wěn)定+12 V 輸出。

2）+5 V 電壓獲取，因系統(tǒng)已有12 V 電壓，選擇LDO 穩(wěn)壓器LTC1529 完成轉(zhuǎn)換，電壓輸入的范圍6 V～15 V，輸出電流3 A。

3）+3.3 V 轉(zhuǎn)換，選擇LM3940。MOS 繼電器的負(fù)載驅(qū)動(dòng)管腳直接連接設(shè)備內(nèi)各傳感器模塊，通過(guò)電源管理控制板的I/O 接口信號(hào)完成對(duì)相應(yīng)傳感器供電的通/斷。

2.2.2 電源管理控制板（組件）軟件設(shè)計(jì)

如圖3 所示，描述了電源管理板（組件）微控制器的工作流程，為了節(jié)省電能，處理器一般處于低功耗模式，當(dāng)有按鍵中斷、串口接收中斷或定時(shí)器中斷時(shí)，才進(jìn)入運(yùn)行模式，運(yùn)行相應(yīng)處理程序。

圖3 電源管理板（組件）微控制器工作流程

2.3 設(shè)計(jì)方案應(yīng)用分析

便攜式光電探測(cè)裝備內(nèi)各分系統(tǒng)的電源需求，如表3 所示。

表3 便攜式光電探測(cè)裝備電源需求

未進(jìn)行電源管理控制時(shí)，按照電源管理系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換效率為80%計(jì)算，系統(tǒng)的功率消耗約為17 W，若要滿足系統(tǒng)3.5 h 的工作要求，電池組的容量應(yīng)至少為17 W×3.5 h≈60 Wh。18650 型鋰電池標(biāo)稱容量為3.2 Ah×3.7 V=11.84 Wh/節(jié)，選擇8 節(jié)電池，分兩組并聯(lián)，11.84 Wh×8×0.8≈75.8 Wh≥60 Wh，可以滿足系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)間的要求。

根據(jù)便攜式光電探測(cè)裝備任務(wù)需求，經(jīng)分析，正常工作時(shí)，系統(tǒng)主控模塊、圖像處理板、GPS、磁羅盤、OLED 顯示器是常用設(shè)備。由于OLED 顯示器只能顯示一路圖像視頻，非制冷熱像儀和彩色CCD 可以互逆開啟，即每次這兩路傳感器僅開啟其中一路，另一路關(guān)閉。再者，激光光斑指示器、激光測(cè)距機(jī)僅在有任務(wù)時(shí)開啟，且兩者也為互逆開啟。綜上，當(dāng)設(shè)備正常工作3.5 h 期間，設(shè)備常規(guī)用電總功耗為2 W（系統(tǒng)主控模塊）+3 W（圖像處理板）+0.075 W（GPS）+0.065 W（磁羅盤）+4.5 W（以非制冷熱像儀和彩色CCD 中功耗高者計(jì)算）+0.7 W（OLED）=10.34 W，工作時(shí)間2.5 h，激光光斑指示器工作0.5 h，激光測(cè)距機(jī)工作0.5 h。

根據(jù)實(shí)際使用狀況，激光光斑指示器開啟后，觀察傳感器（非制冷熱像儀或彩色CCD）和OLED 顯示器可關(guān)閉不使用。因此，進(jìn)行電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，總用電量能需求：10.34 W×2.5 h+（10.34-4.5-0.7）W×0.5 h+（10.34+1.5）W×0.5 h=34.34 Wh。根據(jù)計(jì)算可知，11.84 Wh×4×0.8≈37.9 Wh≥34.34 Wh，則設(shè)備僅選用4 節(jié)18650 型鋰電池就可滿足正常工作需求，節(jié)省任務(wù)成本。若電池?cái)?shù)量繼續(xù)保持8 節(jié)，裝備續(xù)航能力則會(huì)是原來(lái)的2 倍，大大提升了裝備的戰(zhàn)時(shí)續(xù)航能力。

3 結(jié)論

電源管理系統(tǒng)是裝備的心臟，可為裝備正常工作提供必需的工作動(dòng)力［11］。但隨著智能化便攜式綜合光電裝備信息化程度的提高，按照從頂層到底層的協(xié)同設(shè)計(jì)思路，尋找可靠、穩(wěn)定、便攜的電源，并采用嵌入式、一體化、高效的電源管理技術(shù)，能有效延長(zhǎng)裝備持續(xù)工作時(shí)間，是保障裝備持續(xù)戰(zhàn)斗力的重要基礎(chǔ)，也是適應(yīng)便攜式綜合光電裝備未來(lái)發(fā)展的需求。