火箭试验弹电源系统的设计

王 远，印 姗，张 成，聂 飞，罗承刚

（中国工程物理研究院 总体工程研究所，绵阳 621900）

火箭试验弹具有与火箭弹相似的结构，主要用于火箭的诊断飞行试验。火箭试验弹的弹载电源系统，主要为试验弹的服役系统（姿态控制系统、程序控制系统、数据采集系统及数据回收系统等）提供工作电源，其性能和可靠性直接影响着火箭试验弹的性能和火箭试验的完成[1]。

目前用于火箭试验的弹载供电系统，一般采用一次性热电池作为供电电源。其优点是具有较好的温度适应性，且瞬时功率较大。但是由于热电池是一次性电源，使得火箭试验弹上的各服役系统在地面试验时，需要采用外部电源供电，以测试各电子系统的电气性能[2]。这种一次性热电池结合外部地面电源供电实现的模拟性能测试，具有两方面的缺点：①外部地面电源供电与真正的飞行试验供电具有一定的差距，难以测评弹载电子设备在弹载电源系统供电情况下的实际工作性能；②无法对弹载电源系统的电池及配套电路进行多次、可重复的性能考核。

针对以上两方面缺点，本文根据火箭试验的特点，介绍一种具有可重复充电的弹载电源系统。该电源系统采用可充电锂电池组供电，可选择地面电源对弹载服役电子设备供电，也可根据控制命令，转换为电源系统本身电池组供电。此外，针对传统弹载电源系统功能单一的问题，本文采用MCU作为控制核心，实现多路电源电压的实时采样检测；具备电池组温度、容量、电流等多信息实时检测功能，可实现电池组低电量自检报警；具有CAN总线双工通信功能，可与弹上程控设备及地面控制设备通信，以实现电源系统的外部检测及控制。经测试，该电源系统各方面参数满足设计要求，将用于某型火箭试验弹。

1 电源系统总体设计

本文所述电源系统包括反接过压保护模块、充电模块、聚合物锂电池组、电源选择切换电路、测控模块、CAN通信模块及电压转换模块等功能组件，如图1所示。

图1 电源系统总体框图Fig.1 Block diagram of the power system

地面电源通过电源连接器接入电源系统，与反接及过压保护电路相连；反接过压保护电路为电源系统提供过压、欠压及-40 V反接保护，其输出分别接入充电模块及电源选择切换电路；充电模块及电源选择切换电路受测控模块的控制，分别实现对锂电池组充电及电源切换的功能；测控模块对电池组及关键电源路径的电压进行实时检测，其与CAN通信模块的连接采用光电隔离；CAN通信模块接收试验弹弹上CAN总线上的控制指令，测控模块依据控制指令完成相应的动作，并反馈各类检测数据。

2 系统硬件设计与实现

2.1 反接及过压保护

在实际电子电路系统中，直流功率电源的接入需要考虑接入过程中人为疏忽导致的正负反接情况，电源反接有可能使电路系统中各功能组件失效。传统的直流反接及过压保护一般采用功率二极管结合齐纳二极管实现，由于功率二极管正向导通压降，当接入大电流时，二极管上大的发热量导致系统电源效率低，而且影响了产品的稳定性。

本文采用LTC4367电源保护控制芯片实现反接及过压保护电路，其电路原理如图2所示。LTC436是美国LINEAR Technology公司生产的高性能电源管理器。其输入直流电压范围达到-40 V～100 V，可同时实现过压保护及反接保护功能，满足本系统设计的需求。

图2 反接及过压保护电路Fig.2 Schematic of the reverse and overvoltage supply protection circuit

该电路通过检测欠压检测端UV和过压检测端OV的电压，在GATE端产生上拉或下拉电流，使得N沟道MOS管M1和M2开启或关闭，从而实现欠压、过压及反接保护功能。由于功率型N沟道MOS管漏源导通电阻 RDS（on）仅为毫欧量级，而LTC4367的静态工作电流仅为几十微安量级，所以该电路的整体功耗远小于采用功率二极管串接的反接保护电路。该电路分压网络满足公式：

式中，电阻R1和R2由LTC4367数据手册可知，典型值为R1+R2=300 kΩ。经过实际测试，对-40 V～80 V的输入电压，其实测输出特性如图3所示。

图3 反接过压保护电路输出测试结果Fig.3 Measured output curve of reverse and overvoltage supply protection circuit

2.2 电源选择切换

电源系统在接入地面电源前，无供电电压输出；当接入满足过压、欠压保护电路设计要求的地面电源后，电源系统将采用地面电源供电；根据测控模块的指令，电源选择切换实现地面电源与锂电池组的受控可逆切换。且在电源状态切换时，保证不间断的输出供电。

本系统中，电源选择切换电路采用LINEAR公司的LTC4416低损耗双路电源控制芯片实现。LTC4416是一种高效的电源切换电路，在双路供电系统的高可靠系统中为传统的肖特基“或”二极管电路提供低电压损耗的替代方案。通过控制外部P沟道MOS管，LTC4416可实现超低压降（25 mV）二极管功能。其快速开启及关断的特性，使得电源快速切换过程中无逆向电流产生。电源选择切换电路如图4所示。其中V1接锂电池组的输出，V2接反接保护电路的输出VOUT，电路的输出 VS接入电压转换模块。E1和E2为分别为电池组供电和地面供电的使能控制端，与测控模块相连。

图4 电源选择切换电路Fig.4 Circuit diagram of powerpath switching module

测控电路通过E1及E2，控制LTC4416的G1及G2管脚产生上拉及下拉电流，关闭或开启P沟道MOS管M3～M6。由于LTC4416在双通道电源均使能时，会根据输入V1及V2的电平，自动选择更高电平的输入对后端供电；且在其中更高电平的输入断电的情况下，能够快速开启备用电源通道，所以本电路可实现两路电源的可控、平稳切换，且切换过程中无逆向电流产生。

2.3 测控及通讯

测控及通讯功能模块，以TI公司的MSP430F169微控制器[3]及MICROCHIP公司的MCP2515独立CAN控制器为核心实现[4]。其中MSP430F169内部集成AD转换器，可实现系统中关键信号的采集。微控制器与CAN控制器之间的连接采用串行外设接口 SPI（serial peripheral interface）。MCP2515 与CAN收发器SN65HVD230M之间则通过高速光耦实现光电隔离。整体电路框图如图5所示。

图5 测控及通信模块原理Fig.5 Schematic of the measurement and control circuit combined with communication module

上电后复位，MSP430F169通过内部集成的SPI接口，配置和读取MCP2515内部特定寄存器，实现符合CAN 2.0B技术规范的弹上总线通信。当接收到控制命令后，测控模块通过控制电源选择切换电路，完成系统供电电源的切换。此外，MSP430F169采用GPIO模拟单线DQ通讯协议的方式，与电池组内部保护芯片实现单线通讯，测量锂电池组的电压、输出电流、温度以及剩余电量；依靠MSP430F169内部集成的8通道12位200 kS/s模数转换器，以及外围分压电路，可实现对电源系统关键电压的检测。

通过CAN总线，可对电源系统的输入、输出及关键节点电压进行实时检测。在火箭试验弹地面试验及飞行试验准备阶段，一旦出现问题可以及时中断迅速定位问题，提高火箭弹试验的可控及可测性，保障了试验的成功进行。

3 系统工作流程

本文所述电源系统的主要工作流程如图6所示。

图6 系统工作流程Fig.6 Flow chart of the system

该电源系统共有3种工作状态：

（1）待机状态。是电源系统整体装配后的储存、运输过程中及试验前的准备状态。该状态保证了火箭试验弹组装过程中各弹载服役电子设备处于关断状态，减少了电源系统中聚合物锂电池组的充、放电循环次数，延长了电源系统的使用寿命。

（2）地面试验状态。是火箭试验弹地面试验中考核各弹载服役设备性能的试验状态。当电源模块接入功率地面电源后，将自动从待机状态进入地面试验状态。此时电源系统向弹载服役系统提供多路稳压电源。在该状态下，电源系统通过CAN总线与程序控制系统及地面控制设备进行通信，实现远程监控电源系统各组件的状态。地面控制人员可根据监测到的电池组状态对电池组进行可控充电。

（3）飞行试验状态。是火箭试验弹飞行试验的状态。在地面实验状态下，电源系统及各弹载服役系统均通过性能考核，并完成自检后，地面控制人员通过CAN总线向电源系统发送相关指令，完成地面电源与自身电源的转换。转换过程由控制模块与电源选择切换电路完成，电源系统在转电过程中对各负载电子设备提供连续不间断供电。

以上3种状态可根据实际试验要求，由地面控制人员完成远程状态切换，保证试验的安全及可控。

4 结语

本文设计的电源系统以MSP430微控制器作为控制核心单元，包含以LTC4367实现的反接过压保护电路，以电源控制器芯片LTC4416实现的电源选择切换电路，以及基于MCP2515的CAN通信模块等功能模块。采用可重复充电电源设计，实现了火箭试验弹弹载电子设备在实际供电状况下性能评估及测试，并能针对电源系统电路及电池组的性能进行多次可重复考核。本系统通过CAN总线与弹上程序控制装置及地面控制终端通讯，根据控制指令完成不同工作模式的切换，可实时查询系统内部各关键参数。提高火箭试验的可控及可测性。目前该系统以完成各项测试，将用于某型火箭试验弹的试验。

[1]李春丽，石云国，邓克文，等.火箭试验弹振动试验条件分析[J].装备环境工程，2010，7（4）：32-35.

[2]安德宇.弹上电源系统测试技术研究[J].航空兵器，2006（5）：30-33.

[3]陈伟.基于MSP430的CAN总线智能通讯板设计[J].仪表技术与传感器，2010（7）：54-56.

[4]丁雪静，许永辉.基于MCP2515的CAN总线通信单元设计[J].现代电子技术，2015，38（21）：60-63.