航天相機地檢設備電源管理系統設計

彭 琦，劉曉龍，周 璐，陳佳豫

（1.東北師范大學留學生教育學院，吉林長春 130024；2.東北師范大學網絡信息中心，吉林長春 130024；3.吉林大學計算機科學與技術學院，吉林長春 130012；4.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033）

航天相機地檢設備電源管理系統設計

彭 琦1，劉曉龍2，周 璐3，陳佳豫4

（1.東北師范大學留學生教育學院，吉林長春 130024；2.東北師范大學網絡信息中心，吉林長春 130024；3.吉林大學計算機科學與技術學院，吉林長春 130012；4.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033）

為預防調試時交流220 V經地檢設備串入航天相機而引起損壞，采用鉛酸蓄電池對地檢設備供電，設計了航天相機地檢設備的電源管理系統.介紹了鉛酸蓄電池和DC－DC轉換電路的特點并對電源管理系統的硬軟件進行了設計.采用4個階段快速充電法以滿足提高蓄電池壽命和快速充電要求；采用DC－DC降壓電路產生輸出電壓以提高蓄電池能量的利用率；通過對蓄電池充放電過程中電壓、電流、充放安時累計及溫度進行自動檢測，可嚴格控制充放電過程并實時處理.結果表明：該航天相機地檢設備的電源管理系統有效地實現了與交流220V的隔離，節約了充電時間，延長了使用壽命，降低了能耗.具有可靠性高、智能性強的特點，具有較強的實用價值和保護報警功能.

航天相機；地檢設備；鉛酸蓄電池；DC－DC轉換電路；電源管理系統

航天相機由于應用的特殊性，器件價格昂貴購買困難且對穩定性和可靠性要求很高，對和其相連的地檢設備的安全性也提出了苛刻的要求.而大多地檢設備直接采用交流220 V供電，當出現漏電與接地不良等情況時，可能出現交流220 V經地檢設備串入航天相機中而引起器件的損壞，造成重大損失.

隨著電源技術的發展，鉛酸蓄電池由于其成本低、容量大、安全可靠等特點，在通信、電動汽車、軍事、航空航天等各個領域都有著廣泛的應用.蓄電池充電狀況的好壞，將直接影響到蓄電池的充放電特性及使用壽命.在傳統充電技術中，常用的恒壓充電、恒壓限流充電、恒流充電等模式，都是由人工控制充電過程，大多存在著嚴重的過充電現象.充電質量的好壞，直接影響鉛酸蓄電池的使用壽命.目前對蓄電池充電的方法很多，選擇科學合理的充電方法將對延長蓄電池的使用壽命、節約經費開支，無疑是一項非常有意義的工作［1－4］.

DC－DC轉換電路相對線性穩壓電路以其能量轉換效率高，芯片發熱少，可升壓、降壓、反向轉換等優點正廣泛地應用于各種電路之中.TI公司的TPS54xx系列芯片是非隔離型的降壓DC－DC轉換芯片，該系列的芯片具有轉換效率高、輸入電壓范圍寬、輸出電流大、工作頻率高、能夠減小外圍器件的尺寸和成本等優點，正廣泛地應用于各種電子電路中［5］.

1 航天相機地檢設備電源管理系統設計

航天相機地檢設備需要5和3.3 V電源，要求完全和交流220 V隔離，且要求在保證輸出功率的情況下供電時間盡量長.當使用的鉛酸蓄電池進行供電時，隨著電量的消耗，蓄電池輸出的電壓會逐漸降低.

本文的設計是根據美國科學家馬斯提出的最佳充電曲線完成的，使整個充電過程的實際充電電流始終等于或接近于曲線上蓄電池可接受的充電電流，充電速度可大大提高，出氣率也可控制在很低的范圍內，整個充電過程分為4個階段.

（1）涓流充電：提供一個很小的充電電流，持續到蓄電池電壓達到設定的門檻電壓為止.

（2）快速充電：提供一個恒定快速充電電流，持續到蓄電池的電壓上升到過壓充電電壓的95%為止.

（3）過壓充電：提供一個略高于蓄電池額定電壓的恒定電壓以使蓄電池能量最后達到飽和.

（4）浮充充電：提供浮充電電流給蓄電池，以維持蓄電池處于飽和狀態［6］.

當使用6 V蓄電池供電并使用線性電源芯片產生5和3.3 V時，電源的效率分別為83.3%和55%，電能利用率較低；當使用較高電壓的蓄電池供電并使用DC－DC電源芯片TPS5430進行電壓變換時，當輸出電流為1 A時效率為92%，當輸出電流為3 A時效率也在88%以上，可提高電源利用率，延長蓄電池的供電時間.

航天相機地檢設備電源管理系統的工作原理（見圖1）：采用完全獨立的充放電結構，采用兩組電池輪流供電，一組供電，一組充電［7］；交流輸入的220 V電源經AC－DC開關電源輸出三組直流電壓，分別送給充電控制器、數控直流源和充電切換電路；充電控制器通過電池監測器A，根據蓄電池A的狀態選擇恒流還是恒壓充電，在恒流充電階段決定充電電流的大小，控制數控直流源電路輸出滿足要求的電流，并控制充電切換電路輸出電流還是電壓，并把當前充電蓄電池的狀態通過RS232總線傳送到PC機上；在放電部分，放電控制器通過電池監測器B檢測蓄電池B的狀態，通過LCD電路進行顯示，在溫度、電壓和電流正常的情況下，向繼電器發出打開控制信號，啟動蓄電池輸出，否則關閉蓄電池的后級輸出電路，并啟動蜂鳴器；蓄電池輸出的電壓經DC－DC轉換電路后輸出5和3.3 V到地檢設備；當蓄電池B的電量耗盡時，開始對蓄電池B充電，采用蓄電池A放電.

圖1 航天相機地檢設備電源管理系統結構圖

2 航天相機地檢設備電源管理系統硬件設計

電源管理系統包括電池監測器、AC－DC開關電源、充放電控制器、數控直流源電路、DC－DC轉換電路、LCD和蜂鳴器電路等.

2.1 電池監測器

DS2438是Dallas公司的一款智能電池監測芯片，僅需單個管腳就可完成單線接口通信，并提供64 B的串行數據，其片上的溫度傳感器可省掉外部的熱敏電阻.芯片內部結構（如圖2所示）：集成了可分別用于電壓和電流測量的雙通道10 B的A／D轉換器、溫度傳感器、電流積分器、連接斷開傳感器等電路，可測量電池電壓、電流、溫度和剩余電量，并保存在內部的寄存器中；同時具有40個字節非易失性用戶存儲器，可用于存儲電池的相關參數；當檢測到和電池的連接斷開時，返回到低功耗的休眠狀態.DS2438工作溫度范圍為－40℃～＋85℃，采用8腳SOIC表面貼裝封裝形式，電源端工作電壓2.4～10 V為電壓轉換的輸入端，當電壓為5 V時，測量范圍為0～10 V，分辨率為10 m V.當DS2438接收到電壓轉換命令時啟動轉換，轉換結果存于2字節的電壓寄存器中.電流轉換通過轉換VSENS＋和VSENS－間的電壓實現，測量范圍為－122～＋122 m V，分辨率為0.244 14 m V.DS2438內部帶有溫度傳感器，它提供13bit的溫度轉換，可在超過－55℃～125℃的溫度范圍工作，分辨率為0.031 25℃.另外，DS2438根據每次電流轉換的結果，進行剩余電量加或減的操作，存于電流累加器中，統計出最終剩余電量［8］.

圖2 DS2438內部結構圖

2.2 AC－DC開關電源

電源主要是把輸入的交流220 V電源轉換為多路直流輸出電源，分別為充電控制器、數控直流源和充電切換電路提供電源.首先將輸入的交流電壓信號經整流濾波電路后變為直流信號，然后經逆變電路輸出交流，最后在變換為直流信號，其中包括了逆變電路和反饋控制電路.單端反激開關電源具有輸出紋波小、輸出穩定、輸入輸出電氣隔離、效率高以及具有良好的動態響應性能等優點.電路中的控制芯片采用Unitorde公司推出的電流型脈寬調制器UC3842，該調制器單端輸出，可以直接驅動雙極型功率管或場效應管，并且電流控制型具有快速的瞬態響應和高度的穩定性.當電源輸入電壓或負載發生變化時，反饋的電感電流變換率能直接跟隨輸入電壓和輸出電壓變換，只要開關管電流脈沖一達到設定的幅值，脈寬比較器就工作，開關管關斷，保證了輸出電壓的穩定.

2.3 充放電控制器

控制器主要是完成蓄電池的充放電管理，采用單片機AT89C55的最小系統來實現此功能.AT89C55是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能的8位CMOS單片機，時鐘頻率范圍為0～33 MHz，與MCS－51的指令系統和引腳完全兼容，適合于許多復雜控制應用場合.片內資源豐富，含20 k B的在線可編程flash存儲器，可重復擦寫1 000次；還包含256×8bit的內部RAM，32個可編程的I／O口線，3個16位定時器／計數器.AT89C55單片機的中斷系統是8位單片機種功能較強的一種，可以提供8個中斷請求源，還具有低功耗空閑和掉電模式.

圖3 數控直流源電路原理圖

2.4 數控直流源電路

數控直流源電路原理圖如圖3所示，當MOSFET的漏極電壓VDD和電阻R保持不變時，當改變柵極電壓VIN時，漏極電流會隨著改變，通過控制MOSFET的柵極電壓可實現對漏極電流的控制.設計對蓄電池充電電流的控制，采用改變MOSFET的柵極電壓來改變充電電流的大小，并通過智能電池監視芯片DS2438測量蓄電池的充電電流，實現充電電流的閉環控制.

2.5 DC－DC轉換電路

本文設計采用了TI公司的DC－DC電源轉換芯片TPS5430，其輸入電壓范圍是5.5～36 V，最低輸出電壓為1.2 V，正常輸出電流為3 A（峰值為4 A），開關頻率為500 k Hz，最高效率可達95%［9－10］，設計中的具體電路如圖4所示.

圖4 DC－DC電源轉換原理圖

2.6 LCD和蜂鳴器電路

設計中LCD用于顯示蓄電池的工作狀態，蜂鳴器在檢測到蓄電池參數異常時報警.12232F是一種內置8 192個16×16點漢字庫和128個16×8點ASCII字符，集圖形點陣液晶顯示器，可以顯示7.5× 2個漢字，它與外部CPU接口可采用并行或串行方式.液晶要顯示圖形或字符，必須有微控制器通過相應的I／O引腳，向其發出指令或數據，液晶才能按照要求顯示.12232F液晶能識別18條指令，分別實現清屏、光標閃爍、顯示點定位等功能.另外它還能接受ASCII字符編碼和漢字碼，顯示相應的字符.所有的指令數據都是10位的，分別用RW，RS，D7，D6，D5，D4，D3，D2，D1和D0表示，由于液晶屬于慢顯示器件，微控制器還可以在D7位上查詢指令是否已經執行完畢，以便發出下一條指令或數據.蜂鳴器最重要的特點是只要按照極性要求加上合適的直流電壓就可以發出固有頻率的聲音，使用起來比揚聲器簡單，由于蜂鳴器是感性負載，不采用單片機的I／O口直接對其進行操作，可加一只驅動三極管，并在蜂鳴器的兩端并一只續流二極管.

3 航天相機地檢設備電源管理系統程序設計

3.1 充電程序設計

充電系統首先檢測電池的電壓，若電池電壓低于設定的門檻電壓VTH，則進入涓流充電階段，充電切換電路輸出數控直流源產生的電流，充電系統提供一個很小的充電電流；當電池電壓達到VTH之后，則進入快速充電階段，充電切換電路輸出數控直流源產生的電流，充電系統提供一個恒定快速充電電流；當檢測到的蓄電池電壓達到過壓充電電壓VOC的95%，則進入過壓充電階段，充電切換電路輸出AC－DC開關電源產生的電壓，提供一個略高于蓄電池額定電壓的恒定電壓VOC以使蓄電池能量最后達到飽和；在過壓充電中，當充電電流下降到預設值ISET后，表明蓄電池充滿電后，則進入浮充充電階段，充電切換電路輸出AC－DC開關電源產生的電壓VF，提供浮充電電流給蓄電池，以維持蓄電池處于飽和狀態.在充電過程中，實時監測并在程序處理的間隙定期通過RS232總線并把電池的電壓、溫度和充電電流等狀態信息傳輸到PC機上顯示，并在各階段中檢測到蓄電池溫度過高時斷開充電電路，充電主程序流程圖如圖5所示.

3.2 放電程序設計

放電系統在上電時首先打開繼電器，把蓄電池和后級電路連通，然后檢測電池的電壓、電流和溫度值同時進行顯示，并和規定的門限值比較，若超過規定值，則斷開繼電器同時驅動蜂鳴器報警；當檢測到的參數沒有超過規定值時，通過當前的電壓和電流值，預估蓄電池能繼續工作的時間，并通過LCD顯示出來，放電主程序流程圖如圖6所示.

圖5 充電主程序流程圖

圖6 放電主程序流程圖

4 結論

航天相機地檢設備的電源管理系統采用鉛酸蓄電池對地檢設備供電，采用4個階段快速充電法以滿足提高蓄電池壽命和快速充電要求.采用DC－DC降壓電路產生輸出電壓以提高蓄電池能量的利用率，將DS2438作為充放電系統的檢測核心，在核心控制部件微處理機的控制下，通過對蓄電池充放電過程中電壓、電流充放安時累計及溫度進行自動檢測，可嚴格控制充放電過程并實時處理整個充電過程，所有判別工作都由微處理器自動完成.實驗結果表明：該航天相機地檢設備的電源管理系統有效實現了和交流220 V的隔離，具有上電之后自動檢測蓄電池是否反接、短接、電池電壓、容量和環境溫度的功能，并根據蓄電池的初始狀態參數自動轉入相應階段充電，實現了對充放電過程中各種參數數字化采樣、數字化處理、全數字顯示功能，優化了充電過程，提高了蓄電池的使用壽命和充電效率，具備節能約60%，節約了充電時間，延長了使用壽命，降低了能耗，具有可靠性高、智能性強的特點，具有較強的實用價值和保護報警功能.

TP 399

590·6000

A

1000－1832（2011）04－0059－06

2011－08－21

教育部IPv6技術升級項目（20083254070）.

彭琦（1977—），女，碩士，主要從事計算機應用技術、網絡信息處理研究；通訊作者：陳佳豫（1977—），女，博士，副研究員，主要從事軟件工程計算機控制研究.