水下测量装置的高可靠性电源系统设计*

2023-08-30穆克强任勇峰贾兴中

舰船电子工程 2023年5期

穆克强任勇峰，贾兴中

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室太原 030051）

（2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室太原 030051）

1 引言

水下测量装置主要用于采集、编码并存储水下发射系统整个试验过程中的多种物理量信息，试验结束后进行读数并分析，为发射系统性能的评估及技术改进提供数据支撑［1～2］。电源系统作为测量装置的关键部分，为调理卡、主控卡及存储模块提供稳定可靠的工作电源，是整个记录装置的基础。电源系统的可靠性是整个测量装置工作可靠性的前提［3］。

针对测量装置特殊工作环境对电源系统的要求，提出了一种可低功耗延时后启动、可完成器地电源转换以及锂电池智能充电管理的电源系统，并对其进行了可靠性设计，确保该电源系统在特殊环境下工作的稳定性。

2 电源系统总体方案

水下测量装置自成体系，独立于发射系统之外，在整个发射试验过程中依靠自身电源系统为数据采集记录器及传感器组供电。测量装置的电源系统由DC/DC［4］模块、电源控制模块、线性稳压单元、充电管理单元、配电单元和锂电池组成，模块间通过内部三通连接器连接，设计为“笼屉式”叠层结构，如图1 所示为供电系统总体框图。电源管理装置通过连接电缆向数据采集记录装置中主控卡、采集卡、存储卡供电，同时完成与主控卡的通讯。

图1 测量装置供电系统整体框架图

电源管理装置内部原理图如图2 所示，地面测试时，电源系统引入地面28V 电源，经过DC/DC 模块将电压降低至9.5V，通过Poweren 信号使能线性稳压芯片，完成自身及数据采集记录装置配电的同时，还对锂电池进行充电，此时锂电池不对外供电，锂电池电压值通过采集卡调理至合适的范围，在上位机实时显示。延时启动时，由上位机通过数据采集记录器主控卡向电源管理装置发送延时参数，电源管理装置将延时参数存储至STM32 内部FLASH中，发送延时启动指令后，断开连接电缆，电源管理模块按照加载的参数开始延时，延时结束后使能Poweren信号，开始为测量装置供电。

图2 电源管理装置内部原理图

3 硬件设计与实现

3.1 电源控制模块设计

电源控制模块主要完成测量装置地面电源与自身电源的转换、延时参数加载、加载状态返回以及延时启动等功能。

该电路的器地电源转换功能是通过光继电器AQY210 控制线性稳压芯片MIC29302 的使能引脚来实现。从图3 中可以看到，在地面测试时，地面28V 上电后，光继电器U3 导通，而此时CVDD 为DC/DC 模块转换后的9.5V 电压，经过二极管后使能端PowerEN 为8.8V，使能线性稳压芯片输出电压，为测量装置各板卡供电。需要转电时，数据采集记录装置的主控卡将信号FPGA_EN 拉高，U4 导通后维持PowerEN信号的高电平状态，当电源系统与地面28V 电源脱离后CVDD 转为锂电池电压，继续向测量装置供电，从而完成电源转换。线性稳压芯片选用MIC29302，该芯片具有大电流、精度高、响应快等特点［5］，输出电压可通过4、5 引脚连接的外部电阻调节至1.25V～26V范围，满足本设计要求。

图3 器地电源转换控制电路

为了降低供电系统在长时间待机状态下的功耗，控制模块主控芯片为STM32L431，该芯片供电电压为3.3V，在只开启部分功能的模式下电流低至84μA/MHz［6］，采用8MHZ 晶振时电流为0.672mA，通过计算功率为2.22mW，可待机1000 小时以上。主控芯片及外围电路如图4 所示，从图4 中可以看到STM32 使用低噪声、微功率、低压差稳压器LT1761ES5-3.3 供电，当地面28V 上电后DC/DC 输出的9.5V 电压使能U1 芯片，单片机始终处于工作状态。

图4 主控芯片及外围电路

图4 中供电装置的主控芯片通过串口与主控卡通讯，完成延时参数加载、状态返回以及接收延时启动指令等功能。当收到延时参数后，主控芯片将此参数固化到内部FLASH 中，完成固化后向主控卡返回加载状态，同时等待延时启动指令。当供电装置收到延时启动指令后，STM32将BACKEN信号置高，维持自身供电，此时断开地面电源单片机依靠锂电池CVDD 供电，当延时时间到，STM32 拉高PowerEN 信号，使能线性稳压MIC29302 开始向测量装置供电。

3.2 充电管理模块设计

锂电池的充电管理采用TI 公司的BQ2057 芯片实现，BQ2057系列芯片适合为锂离子（Li-lon）和锂聚合物（Li-Pol）的单节（4.1V 或4.2V）或双节（8.2V或8.4V）电池充电，可动态补偿锂电池组的内阻来缩短充电时间［7］。满足本供电系统所选8.4V锂电池的充电设计要求，同时由于其外围电路简单、封装小，符合水下测量装置的小型化设计。

锂电池充电管理模块电路如图5 所示，图中CVDD1 为电池电压，9.5V 为DC/DC 模块转换后电压，也是BQ2057 芯片的工作电压。该电路通过SNS 引脚与9.5V 之间感应电阻RSNS（R24、R26）的压降来检测充电电流，芯片以此来调节CC 引脚的输出电压，实现不同的充电模式。其中感应电阻值的计算如式（1）：

图5 充电管理模块电

式中：IREG为预期充电电流；VSNS的数值为BQ2057电气特性表的规定值，典型取值为125mV。

本文设计的充电电路是针对水下测量装置的供电系统，电池容量大，在地面测试时需要快速充电，因此设置充电电流为1000mA，VSNS取典型值125mV，计算的感应电阻RSNS约为0.1Ω。考虑到0.1Ω电阻的额定功率太小，采用两个额定功率较大的0.2Ω电阻并联来实现［8］。LED 灯和其限流电阻串联接入STAT引脚，用于检测电池充电状态。

BQ2057充电过程有三种状态：预充状态、恒流充电状态和恒压充电状态。BQ2057上电后检测工作电压VDD和电池温度，若都在正常范围内，检测电池电压VBAT是否低于低压门限Vmin，若满足条件则以恒流IREG10%的电流对电池预充电。预充电完成后若电池电压VBAT不低于Vmin时，BQ2057进入恒流充电状态，由感应电阻R24、R26监控充电电流。当充电电压达到恒压VREG时进入恒压充电状态，若检测电流小于IREG10%时充电完成，当电池电压VBAT小于重新充电门限时，继续开始充电［9］。BQ2057充电流程如图6所示。

图6 BQ2057充电流程图

3.3 DC/DC模块设计

DC/DC转换器的变换效率高、输入电压范围较宽且可以输出大电流，但是由于其采用开关电源的方式对电感和电容充放电，会造成EMI和电源纹波较大的问题［10］。

考虑到测量装置的功耗较大，采用LDO 降压效率太低，所以采用DC/DC进行降压至合适的范围（9.5V），再采用LDO 为后级电路供电。为了降低EMI的影响并减小输出端电压纹波，在DC/DC降压电路中加入EMI 滤波模块同时在输入输出连接器附近放置合适的滤波电容，DC/DC 模块电路如图7所示。

图7 DC/DC模块电路图

DC/DC 模块选用vitor 公司的V24C12T50BL，该模块的输入电压范围为18V～36V，效率可达93%，同时具备过电压、过流、短路及温度保护功能。其输出电压可根据SC 与OUT-引脚之间电阻RD的值来调节，输出电压与RD的关系如式（2）：

式中：Vnom、Vout分别为理论和实际输出的电压值。

EMI 滤波器使用Vicor 公司的QPI-3LZ，该款有源EMI 滤波器在150kHz～30MHz 频率范围内衰减传导共模（CM）和差模（DM）噪声［11］。该产品用于24Vdc总线（10Vdc～40Vdc）系统，具有100Vdc浪涌能力。相对于大体积的无源EMI滤波器，QPI-3LZ提供了一种薄型表面贴装器件，在节省电路板空间的同时有效减小了DC/DC输入端的电磁干扰。

3.4 锂电池电压监测电路

为了能够实时了解锂电池的电量，需要实时监测锂电池的电压，图8为锂电池电压监测电路。

图8 锂电池电压监测电路

首先通过100K 电阻与33.2K 电阻将两块锂电池电压CVDDA、CVDDB 分压至2V 左右，再通过AD8606跟随电路将电压输送至模数转换器。本电路选用AD7911ARMZ 双通道、高速、低功耗模数转换芯片，数据采集记录器主控卡的FPGA 控制该芯片对锂电池分压后电压进行采样、保持、量化、编码，最后主控卡将编码后的数字量传至上位机显示。

4 软件设计

供电系统的软件部分主要完成延时参数加载、加载状态返回、延时状态反馈、延时计数、控制供电使能信号等功能，软件控制流程如图9所示。

图9 供电系统软件流程图

在地面测试模式时，STM32单片机上电后处于等待状态，若检测到串口收到延时参数加载指令“5A54”后，接收上位机发送的延时参数0～65535并将其固化于内部FLASH 中，固化完成后向上位机反馈延时参数加载成功状态。

发射准备阶段，地面测试台向32 单片机发送延时启动指令“7BE5”，收到指令后单片机从内部FLASH 中读取延时参数，配置16 位高精度定时器按照当前的参数开始计时，计时开始的同时单片机向上位机反馈延时启动成功状态，延时启动成功后单片机通过实时向串口发送当前延时参数。延时过程可以通过上位机发送延时启动复位指令“146F”来终止延时，单片机将复位初始化，但不会删除已经加载的延时参数。

STM32 使用外部8M 晶振，通过分频设置定时器时钟设为50K，十进制延时参数1代表时间1s，所以定时器自动重装载值设为49999，定时器溢出后延时参数值减1，直至减为0 延时结束，拉高PowerEN信号开启供电输出。

5 可靠性设计

5.1 散热设计

电源管理装置采用封闭式金属结构，无法通过对流散热，但可以利用金属材料良好的导热性能，对电源管理装置进行热传导和热辐射散热设计［12］。

针对DC/DC 模块、MIC29302 线性稳压芯片和BQ2057 充电管理芯片三个主要的发热源，设计时将DC/DC 模块的PCB 板预留出一个散热区域，用于DC/DC模块的金属部分与结构的紧密贴合，增加传导面积加快散热，如图10 所示。MIC29302 和BQ2057 芯片设计安装于结构的散热凸台上，在中间垫导热性较好的云母片同时满足散热和绝缘的要求，如图10所示。

图10 供电装置散热结构设计

5.2 锂电池的保护

对锂电池进行了缓冲及灌封处理，以防止锂电池在受冲击后出现短路、断路，提高其可靠性。将锂电池引线及连接点使用硅胶粘固后将整块电池灌封处理，最后用毛毡包裹安装于电池腔体内。对保护处理后的电源装置进行16g 振动试验与1000g冲击试验后，电源装置仍可以稳定工作。

6 测试结果

6.1 锂电池充放电测试

在室温下对供电装置的8.4V 锂电池进行充电测试，上位机实时监测并记录电池电压和充电电流，绘制得到充电时电池电压电流随时间变化曲线如图11 所示。从图11 可以看出，锂电池先以630mA 左右的电流恒流充电，电池电压不断升高；4.6h 后进入恒压充电阶段，充电电流快速下降，下降到约90mA充电结束，结束后电池电压为8.38V。