国产化超级电容的掉电检测和延时系统设计

王泽港， 王康谊

（中北大学信息与通信工程学院，太原 030051）

0 引 言

随着军事技术的提升，传统的战争方式由原来的轰炸逐渐转变为军事装备的远距离精确打击，其中最常用的武器便是导弹［1］。由此对导弹的飞行状态、飞行参数的记录都相关重要，而弹载记录仪存储测试装置体积小、质量轻、便于安装，采集到的数据更为大量和准确、实验过程更加安全而被广泛应用［2］。但是弹载记录仪的芯片存在长期依赖国外生产，一旦国际间发生意外情况，将直接影响对于导弹的性能测试。除此之外，在实验过程中弹载记录仪也存在工作状态稳定性不好，在外界干扰严重或恶劣的天气情况下会突然自动掉电，从而给数据的采集造成损害，无法完整地记录导弹参数［3-4］。不仅给实验测试带来不便，而且严重的事故还会带来巨大的经济损失。

因此，为了保证弹载记录仪的可靠性、供电的品质和为了有效防止和降低导弹记录仪测试时，试验造成的不必要的危害和经济损失，国产化超级电容的掉电检测和延时系统应运而生［5］。

1 系统设计

由于弹载记录仪供电电路在复杂的情况下会出现掉电，从而出现不稳定状态，应采取相关的措施尽可能降低或消除因电路掉电所引起的干扰。掉电监测和延时供电系统是掉电保护设计的关键，为瞬时数据保护和短时不间断电源（UPS）切换提供电源保障［6］。本设计主要采用超级电容和升压转换器国产芯片，根据其电气特性完成电路设计，实现了掉电监测和延时供电系统的设计，其设计框图如图1 所示。

图1 整体系统设计

通过分析弹载记录仪会在何时突然掉电及掉电后的各种参数显示，提出应该在掉电时发出预警的新方案，从而引出在掉电后需要电压延时供电的思路。同时，研究分析不同系统在掉电后的工作时间，以达到在恢复供电时，系统能够满足弹载记录仪的各工作要求：

（1）具有系统电压监测功能。当系统电压出现掉电时，能输出电压掉电指示信号；

（2）具有延时供电功能。利用超级电容组作为储能元件，当系统电压中断时，能够提供备用电压；

（3）能够对超级电容进行恒功率充电，自动进行充放电控制；

（4）能够对超级电容的放电进行压值变换，恒定输出电压；电路要求全部采用国产元器件设计。

2 电路设计

2.1 超级电容充电芯片

根据本系统功能要求及存储电能的工作时间等，分析了弹载记录仪承受的工作功率、工作电压、负载要求等［7］，同时根据超级电容组的选值分析，本设计选用CN3125 芯片（见图2）。

图2 超级电容充电CN3125芯片

国产CN3125 芯片是一种完整的恒流/恒量标签充电器IC，从2.7 ～6 V的电源充电单元或2 单元超级电容器。该器件包含片上功率MOSFET，没有外部感测电阻、阻塞二极管的限制。热反馈通过电荷电流的控制，不仅可以限制高功率状态运行，还可以调节高温环境下的承载能力。另外调节电压由电阻分压器外部设置［8］，同时外部设置可以用单个电阻器充电电流的有源平衡电路，在每个超级电容器上，保持相等的电压。当输入电源移除时，CN3125 将超级电容器电流降到小于3 μA，进入低功耗状态（见图3）。

图3 CN3125电路设计

2.2 升压转换器芯片

升压转换器与电源电压相比，输出电压始终较高，也是国产芯片中应用最多的升压转换器，选择了合适的升压芯片也让本设计的电路变得简单，且满足设计的基本要求［9-10］。本设计采用HT7167，它不仅全集成升压转换器，而且栅极驱动带有负载关断功能，为弹载记录仪系统的装配提供结构简单、体积小的解决方法［11］（见图4）。同时，输入的电压范围2.7 ～13 V、设置10 A开关电流能力，最高能提供13 V的输出电压。本设计采用5 V的电压输出值即可。

图4 升压转换器HT7167芯片

HT7167 是自适应的，能够恒定电压，具体表现为采用拓扑结构的方式，关断时间峰值电流控制来调节输出电压。当负载中等条件下，HT7167 工作在PWM模式。在没有高负载的情况下，该器件具有两种工作模式，必须通过MODE 引脚进行选择：①PFM 模式可提高效率［12］；②强制PWM 模式可避免开关频率较低而引发的各种问题的（见图5）。PWM 模式下，支持0.2 ～1.4 MHz，开关频率可通过外部电阻调节HT7167［13］。

图5 HT7167电路设计

3 整体电路设计

本设计电路采用了超级电容充电芯片CN3125 和升压芯片HT7167。该器件具有0.1 ～1.4 MHz的宽可调开关频率。开关频率由连接在HT7167 的FSW 引脚和SW 引脚之间的电阻RFREQ设置。必须始终将RFREQ从FSW引脚连接到SW引脚，以确保正常工作。可以通过以下公式计算

式中：CFREQ＝23 pF；fSW是所需的开关频率；延迟时间tDELAY为89 ns。

为了避免意外的大峰值电流，采用了内部逐周期电流限制。一旦开关电流达到极限，低侧开关将立即关闭。可以通过ILIM引脚上的电阻RILIM来设置峰值开关电流限制。电流极限和电阻之间的关系：

输出电压由外部电阻分压器（典型应用电路中的RUP，RDN）设置（见表1）。要获得输出电压UOUT，可由下式计算

表1 输出电压与外接电阻的关系

式中，UREF＝1.204 V。

补偿网络参数计算：设置交叉频率fC。交叉频率越高，环路响应越快。环路增益的交叉频率不高于开关频率fsw的1/10 或fRHpz频率的1/5 中的较低者。

对于fC，使用10 kHz的固定参数：

设置补偿电阻

设置补偿零电容

设置补偿极电容

电流恒定情况下，ISET引脚的阻抗可能也会产生影响，使得工作不稳定。但是在没有附加电容时，电流设定的最大阻值是50 kΩ，ISET的引脚频率将保持在200 kHz以上。而且CBST 是位于设备引脚上的高质量、低ESR 的陶瓷电容器，以最大程度地减小由走线电感引起的潜在破坏性电压瞬变。因此在大多数的情况下，选取0.1 μF完成指定要求（见图6）。

图6 理论充电图

4 实验测试结果

4.1 CN3125 充电电路测试

通过万用表对单个超级电容的两端电压进行测试。该芯片通过对外接电阻的选择来控制调节电压，从而控制超级电容的充电方式。

4.2 HT7167 供电电路测试

对超级电容进行充电后，将HT7167 供电电路的输出端连接到功率20 W 阻值为5 Ω 的电阻两端，作为负载对供电电路进行测试，结果如图7 所示。根据测试结果可以看出，该部分能够在较短的时间内为负载提供电能。

图7 供电电路部分的放电波形

5 结 语

基于超级电容国产化的掉电监测和延时供电系统，是一种含有超级电容储能的不间断电源。主要用于电源稳定性要求较高的弹载记录仪设备上以提供UPS的电源。

基于完全国产化的超级电容在突然发生掉电的情况下提供短时间的供电，保障设备能够在突然掉电的情况下的能够及时得保存数据。其中掉电监测和延时供电部分是该电源设计的关键，掉电监测和延时供电的可靠性直接影响到设备的数据安全。目前该系统已装载在弹载记录仪上，对于设备的延时数据采集供电及国产率的提高具有十分重要的意义［14-15］。

·名人名言·

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——马克斯·韦伯