便携式光电探测装备电源系统设计与应用

李宝珺，李 敏，胡正良

（1.西安应用光学研究所，西安 710065；2.山东北方光学电子有限公司，山东 泰安 271000）

0 引言

随着光电装备信息化程度的提高，装备中所包含的传感器越来越多、电子系统越来越复杂，装备电能的消耗量也越大［1］。美国陆军进行了一项统计，在一个为期5 d 的战斗任务中，美军士兵平均每天消耗88 节AA 型电池，主要为其武器瞄具、夜视装备、导航设备和个人电台供电。加拿大陆军的统计数据表明，在2006 年阿富汗“美杜莎”行动中，一个步兵连在两个星期内共消耗了17 500 节AA 型电池［2］。根据目前装备用电情况，国内手持式/便携式装备同样存在类似情况。因此，提供性能优越的电源管理控制方案，不仅能延长装备续航能力，提高士兵生存能力，而且能节省任务完成成本。

针对项目在研的便携式光电探测装备功耗战技要求，需设计一种系统电源系统，既可保证装备长续航使用需求，又能满足工程化实施要求。

1 便携式光电探测装备电源系统总体设计

一般情况下，电源系统设计包含系统电源选型、节能设计和电源管理组件设计。系统电源提供设备用电所需电能；节能设计可提高电源能源利用效率；电源管理组件则用于给装备内各组件有效分配电能，使其在任务周期内顺利完成作战任务。

1.1 系统电源选型

为能给便携式装备提供质量体积小、能量密度高、可靠、便携、热隐蔽性强的电源，各国都在积极探索，利用新能源、新技术完成单兵装备可用的新型电源研发。主要有以下种类：

锂电池：一次或者二次锂电池在单兵装备中的应用由来已久。较之于其他电池，锂电池具有能量密度高，单体电池电压高，自放电小等优点，是军用电池的新宠。

燃料电池：是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。

人力供电：人体可以以不同的方式来提供能量，但考虑到对人的影响和可能的功率，最有可能应用到军事上的是手臂运动和腿部运动，缺点是转换效率低。

超级电容：电化学电容器又称超级电容，是一种介于传统的物理电容器和可充电电池之间的一种新型的储能装置。

太阳能发电：是将太阳集能嵌板，与一个可充电的锂电池集成在一起，用于收集太阳辐射的能量，并转化为可直接使用的电能的储能装置。以此来减少部队使用一次或者二次锂电池作为电源而产生行军抛弃物的作战痕迹，使部队更加适合远征需求，降低燃料消耗，也能够节约成本［3］。

上述各可携行电源能力情况表，如表1 所示。

表1 可携行电源能力情况表

由于项目在研装备需全天候工作，对威胁目标进行主动搜索、观察、告警、监视等，并主要用于单兵侦察领域，执行潜入侦察、反狙击、反侦察等特种作战任务。根据其作战环境、任务内容、便携性要求，需要其具有集成度高、体积小、重量轻的特点。因此，通过分析了解以上电池特点，最终系统电源选用了常用的18650 型锂电池。

1.2 节能设计方法

分层设计的思想［3］在解决复杂系统能量节省问题上是一种有效途径，如图1 所示。电源系统设计也可采用这种设计思想，包括系统级能量需求分析、应用软件设计、片上系统设计、电路与模块设计等。每个层级的设计团队尽可能采用相应节能技术进行设计，可有效提高整个装备能源利用效率。

图1 能量节省层级设计

为保证电源能量高效利用，便携式光电装备内部含有多个传感器、电子部件。进行系统电源管理设计时，系统总体设计上要识别多传感器装备功能、电性能、功耗等关键技术指标；进行电源系统详细设计时，应根据装备完成任务使命、工作模式、工况确定内部各组件电源内控指标；同时，考虑利用软件完成电源管理功能性实现，再优化权衡硬件电路设计，尽力提高系统能源利用效率。

1.3 电源管理设计

除装备电源选型设计、节能设计外，通过电源管理设计，降低装备功耗，做好各传感器用电管控也是提升装备工作续航能力的手段。

1.3.1 系统电源管理设计思路

1）分析装备内各传感器的用电需求，如：输入电压、系统总的功耗、分系统工作所需电压、工作电流电流、电源转换效率；对负载瞬态变化的响应能力、关键器件对电源波动的容忍范围以及散热等。

2）在负载不变的情况下，提高电源转换效率，减少热损耗，降低总功耗。

3）电源对于负载瞬态变化要有快速响应能力。因为一些高性能CPU 开始运行繁重的任务时，需要的工作电流较大，若电源响应速度不够，造成瞬间电压下降过多，会造成CPU 运行出错。若装备中含激光器，其发射瞬间对电源系统的输出电流能力远高于其他时候，若电源放电能力不够，会造成激光器工作异常。

1.3.2 电压转换器选择

通常系统电源输出电压会随使用时间增加而不断下降，且各传感器工作电压不同，这就需要具有稳压功能的电压转换器维持各分系统所需工作电压。主要有以下两种：一种是线性稳压器，通过压控电流源，将输出电压稳定在一个固定电压上。类型有：标准稳压器（达林顿晶体管）、低压降稳压器（LDO 稳压器）等。其中，维持输出电压稳定所需的压差，LDO 稳压器比标准稳压器小很多。另一种是开关稳压器，将输入电压降低、升高或反向转换后稳压输出，且其转换效率高于线性稳压器［4］。两者的区别如表2 所示。

表2 线性稳压器与开关稳压器之间的区别

装备内的各分系统都有自己的恒定工作电压，通过相关电源需求分析，可选择合适的电压转换器获取相应工作电压。装备外部电源后端多选择有较高转换效率的开关稳压器完成系统级工作电压获取。而系统内部各分系统工作电压则通过相应的具体电源要求选择开关稳压器或线性稳压器来获取。

1.3.3 负载供电管理

为了减少装备电源能量消耗，并避免在峰值电流时失去稳压作用，电源系统可通过内阻足够小的电子开关（如MOS 继电器和pFET 开关）完成电源负载管控［5］；或者使用具有逻辑开/关端口的稳压器，通过控制逻辑状态值完成稳压器的输出控制。可在装备中每个需要独立管控的供电电路选择这样的稳压器，也可实现多负载管理。

1.3.4 降低微处理器的功耗

信息化装备中，信息处理单元会含有单个或多个嵌入式系统处理器，其也是主要的功耗负载。应用过程中可通过以下手段降低对系统功耗的影响：

1）选择低功耗的微处理器。许多微处理器厂商都推出了低功耗/超低功耗处理器芯片，如美国TI公司MSP430 系列、NXP 公司ARM Cortex-M0 系列等，都能在低电压和低频率状态工作。

2）选择合适的数据总线宽度。单根数据总线功耗计算如下：

其中，α 是活动因子；CL是负载电容；VDD是电源电压；f 是工作频率。

由式（1）可知，数据总线的每条线都会有功耗，总线宽度越宽，功耗越大。比如：当总线频率为4 MHz、总线电压为3.3 V 时，16 bit 总线和8 bit 总线间功耗差为3.7 mW。

3）选择低工作电压和时钟频率。器件功耗与工作电压的平方成正比。当供电电压由5 V 降到3.3 V时，功耗将减少50%以上；当电压降低到1.8 V 时，功耗将减少80%以上［6］。

4）关闭微处理器内部不使用的外设控制器。根据使用情况切换微处理器工作模式，如进入“低功耗”模式来降低自身功耗。

5）采用高效率的软件算法。如：使用短数据类型、避免浮点数运算、算到需要精度、“移位”运算代替“乘除”运算、任务执行用“中断”方式代替“查询”的程序等，减少CPU 的运算量。

2 一种便携式装备电源管理系统设计及应用

2.1 装备电源管理系统需求分析

根据项目在研的便携式光电探测装备研制任务需求，其具有3 种工作模式：关机模式、开机模式和低功耗/待机模式。关机模式即装备关闭所有用电组件供电，停止正常工作；开机模式即根据不同作战任务，装备内组件在相应的指令操作下可执行相应的任务；低功耗/待机模式即1 min 内若无操作或控制命令，切换到此模式，此模式下，装备内非必要工作组件“下电”或进入“低功耗”等非耗电状态。但当点击设备上某按钮都可将系统复位到开机模式，图像重新恢复。这些模式中各传感器组件通电/断电的实现，可通过具有多状态的电子开关实现切换，同时为满足使用需要，装备应具有剩余电量显示、低电量告警、装备按键响应（主要是电子开关的逻辑操作）等功能［7-8］，这就需要一个电源管理板（组件）来实现相应功能。

2.2 装备电源管理控制板（组件）详细设计

电源管理控制板（组件）主要完成对整个设备各模块所需工作电压的转换、供电分配和动态管理，其功能包括：

1）对来自装备主控模块的指令进行响应。如电源系统自检、剩余电量查询指令。

2）实现装备电池电量监控和剩余供电能力评估。当电量较低时，及时上报装备主控模块，供其参考执行相应传感器数据保护操作。

3）对装备按键行为进行响应。如长按电源按键进行关机和开机，扫描其他按键行为，有动作时，分析按键值编码后进行电子开关通电/断电操作；长时间无按键操作时，关闭各子模块的供电，节省功耗，直到有任何系统唤醒操作。

2.2.1 电源管理控制板（组件）硬件设计

设备电源管理控制板（组件）的原理框图如2所示［9-10］。

图2 电源管理控制板（组件）原理框图

低功耗处理器模块为电源管理控制板（组件）核心，根据应用需求，选择了TI 公司超低功耗16 位单片机MSP430F1611，正常工作电流为330 uA，低功耗模式时仅为1.1 uA，低功耗下唤醒只需5 μs，含多路I/O 接口、可灵活设置工作模式的通信串口。它负责各个分系统传感器的分区分时供电、面板按键响应，及与设备系统主控模块通信工作。

电池监控模块采用集成电路DS2788，用于对设备供电电池状态的监控。

电压变换器的选择：

1）+12 V 电压获取，选择开关稳压器LM22679，4.5 V～42 V 宽电压输入，输出电流5 A，保证在电池输出电压随设备使用而下降时，稳定+12 V 输出。

2）+5 V 电压获取，因系统已有12 V 电压，选择LDO 稳压器LTC1529 完成转换，电压输入的范围6 V～15 V，输出电流3 A。

3）+3.3 V 转换，选择LM3940。MOS 继电器的负载驱动管脚直接连接设备内各传感器模块，通过电源管理控制板的I/O 接口信号完成对相应传感器供电的通/断。

2.2.2 电源管理控制板（组件）软件设计

如图3 所示，描述了电源管理板（组件）微控制器的工作流程，为了节省电能，处理器一般处于低功耗模式，当有按键中断、串口接收中断或定时器中断时，才进入运行模式，运行相应处理程序。

图3 电源管理板（组件）微控制器工作流程

2.3 设计方案应用分析

便携式光电探测装备内各分系统的电源需求，如表3 所示。

表3 便携式光电探测装备电源需求

未进行电源管理控制时，按照电源管理系统电源转换效率为80%计算，系统的功率消耗约为17 W，若要满足系统3.5 h 的工作要求，电池组的容量应至少为17 W×3.5 h≈60 Wh。18650 型锂电池标称容量为3.2 Ah×3.7 V=11.84 Wh/节，选择8 节电池，分两组并联，11.84 Wh×8×0.8≈75.8 Wh≥60 Wh，可以满足系统连续工作时间的要求。

根据便携式光电探测装备任务需求，经分析，正常工作时，系统主控模块、图像处理板、GPS、磁罗盘、OLED 显示器是常用设备。由于OLED 显示器只能显示一路图像视频，非制冷热像仪和彩色CCD 可以互逆开启，即每次这两路传感器仅开启其中一路，另一路关闭。再者，激光光斑指示器、激光测距机仅在有任务时开启，且两者也为互逆开启。综上，当设备正常工作3.5 h 期间，设备常规用电总功耗为2 W（系统主控模块）+3 W（图像处理板）+0.075 W（GPS）+0.065 W（磁罗盘）+4.5 W（以非制冷热像仪和彩色CCD 中功耗高者计算）+0.7 W（OLED）=10.34 W，工作时间2.5 h，激光光斑指示器工作0.5 h，激光测距机工作0.5 h。

根据实际使用状况，激光光斑指示器开启后，观察传感器（非制冷热像仪或彩色CCD）和OLED 显示器可关闭不使用。因此，进行电源系统设计后，总用电量能需求：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。根据计算可知，11.84 Wh×4×0.8≈37.9 Wh≥34.34 Wh，则设备仅选用4 节18650 型锂电池就可满足正常工作需求，节省任务成本。若电池数量继续保持8 节，装备续航能力则会是原来的2 倍，大大提升了装备的战时续航能力。

3 结论

电源管理系统是装备的心脏，可为装备正常工作提供必需的工作动力［11］。但随着智能化便携式综合光电装备信息化程度的提高，按照从顶层到底层的协同设计思路，寻找可靠、稳定、便携的电源，并采用嵌入式、一体化、高效的电源管理技术，能有效延长装备持续工作时间，是保障装备持续战斗力的重要基础，也是适应便携式综合光电装备未来发展的需求。