程亞杰，李新娥

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

電容式電子測(cè)壓器是直接放入火炮藥室，在發(fā)射藥燃燒過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)取火炮發(fā)射時(shí)的膛壓曲線。根據(jù)電容式電子測(cè)壓器的指標(biāo)要求，測(cè)壓器的體積小于等于22 cm3，相應(yīng)的，供電電源的前提要求是微型體積。目前電容式測(cè)壓器采用的電源是定制的聚合物鋰電池[1]，針對(duì)鋰電池存在的壽命有限，電池容量高低溫下不穩(wěn)定，而且測(cè)壓器的拆卸不方便，為此提出了用超級(jí)電容作為供電電源的方法。

電源選用5.5 V/0.33 F超級(jí)電容Eecs0hd334h，負(fù)載所需電壓為3.3 V，所以首先設(shè)計(jì)降壓電路，選用降壓芯片ams1117-3.3 V，其次負(fù)載需要穩(wěn)定的電壓，由MSP430檢測(cè)終端輸出的電壓值與設(shè)定的供電電壓值3.3 V相比較，用PID算法所產(chǎn)生的PWM控制輸出調(diào)節(jié)，最終使輸出電壓達(dá)到所需要的額定值。

1 低功耗的電容式電子測(cè)壓器

電容式電子測(cè)壓器由傳感器、電路、加速度傳感器智能開(kāi)關(guān)和軟件組成。利用電容充放電原理設(shè)計(jì)的微小電容檢測(cè)電路作為電子測(cè)壓器的重要組成部分，主要由信號(hào)調(diào)理電路模塊、電源管理模塊、高頻晶振、SOC處理器和非接觸式接口電路組成。限制于測(cè)壓器的體積，隨之也限制了供電電源的體積，相應(yīng)地，電源容量也被限制，因此超級(jí)電容單獨(dú)供電時(shí)，負(fù)載為低功耗尤為重要。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，電路在需要工作時(shí)給其供電，不需要工作時(shí)斷電，減小電路不必要的功耗。電源控制技術(shù)是電容式電子測(cè)壓器低功耗的關(guān)鍵技術(shù)，并且采用對(duì)系統(tǒng)各部分單獨(dú)供電的方法，即對(duì)于各個(gè)模塊在不同狀態(tài)下是否需要工作的狀況，選用通過(guò)SOC控制各獨(dú)立電源的打開(kāi)與關(guān)閉，為其提供電源或者切除電源，以消除無(wú)效損耗，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微功耗的目的[1]。電容式電子測(cè)壓器原理如圖1所示，電容式電子測(cè)器各工作狀態(tài)與其期間所消耗的功耗[2]如表1所示。

圖1 電容式電子測(cè)壓器原理Fig.1 Schematic diagram of capacitive electronic manograph

表1 電容式電子測(cè)壓器各狀態(tài)持續(xù)時(shí)間、功耗Tab.1 Capacitive electronic manometers each state duration，power consumption

表1為系統(tǒng)在每個(gè)狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間及功耗，溫度對(duì)電容式測(cè)壓器的功耗有影響，特別是低溫條件下，電子測(cè)壓器的功耗會(huì)降低。

對(duì)于CMOS電路，功耗滿(mǎn)足：

式中：P為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的功耗總和；i為系統(tǒng)狀態(tài)；VDD為數(shù)字電路電壓；VCC為模擬電路電壓；fCLK為時(shí)鐘頻率；C為負(fù)載電容。

每個(gè)狀態(tài)的總耗電量：

式中：Qc是電子測(cè)壓器在常溫狀態(tài)下所需的總耗電量；Qh是電子測(cè)壓器在高溫狀態(tài)下所需的總耗電量；Ql是電子測(cè)壓器在低溫狀態(tài)下所需的總耗電量。

2 超級(jí)電容選型

超級(jí)電容作為一種新型電力儲(chǔ)能器件，是一種介于靜電電容器與電池之間具有特殊性能的新型儲(chǔ)能元件，通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能，這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的。優(yōu)點(diǎn)是功率密度高、快速充放電、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、在很小體積下達(dá)到法拉級(jí)的電容量，無(wú)需特別的充電電路和控制放電電路。像電池一樣具有較大電荷存儲(chǔ)能力。選擇超級(jí)電容時(shí)，根據(jù)功率要求、放電時(shí)間、系統(tǒng)電壓變化來(lái)選擇。參照最高工作電壓、工作截止時(shí)間、平均放電電流、放電時(shí)間多長(zhǎng)這些參數(shù)。

根據(jù)電容式電子測(cè)壓器的指標(biāo)要求，測(cè)壓器的體積小于等于22 cm3，系統(tǒng)工作電壓3.3 V，功耗最高0.5 mA·h。降壓穩(wěn)壓輸出電路系統(tǒng)選擇的芯片ams1117-3.3 V最高工作電壓12 V，最低工作電壓4.75 V，輸出電壓3.3 V。根據(jù)這些參數(shù)，選擇Panasonic SD系列超級(jí)電容器Eecs0hd334h，0.33 F/5.5 V，產(chǎn)品信息如表2所示。

3 超級(jí)電容放電電源電路的硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)超級(jí)電容的充放電特性，利用超級(jí)電容給低功耗系統(tǒng)的電容式電子測(cè)壓器供電。研究和設(shè)計(jì)超級(jí)電容的放電以及控制電路，首先在電路中實(shí)現(xiàn)一個(gè)降壓功能，將所選超級(jí)電容EECS0HD334H提供的額定電壓5.5 V下降到電子測(cè)壓器電路需要的3.3 V電壓；然后在電路中設(shè)計(jì)穩(wěn)壓控制的功能，這個(gè)控制電路通過(guò)對(duì)輸出電壓的反饋與控制，使電壓持續(xù)保持在3.3 V上，從而更安全高效地給負(fù)載端提供穩(wěn)定的電壓。

表2 超級(jí)電容Eecs0hd334h產(chǎn)品信息Tab.2 Super capacitor Eecs0hd334h product information

3.1 超級(jí)電容充電電路

超級(jí)電容可反復(fù)充電，直接接上電源就可以直接充電，不需要復(fù)雜的充電保護(hù)電路，只要充電電壓不高于其額定的最大工作電壓即可[2]。超級(jí)電容EECS0HD334H耐電電壓5.5 V，充電時(shí)施加在電容兩端的電壓要小于其耐壓值，合理充電電壓為5 V或以下，尖峰電壓達(dá)到5.7 V。超級(jí)電容與50 Ω的電阻R1串聯(lián)在電路中，超級(jí)電容兩端電壓加上電阻R1兩端電壓等于電源電壓。在R1兩端并聯(lián)一個(gè)LED發(fā)光二極管，用來(lái)檢測(cè)R1兩端的電壓，給發(fā)光二極管串聯(lián)一個(gè)限流電阻200 Ω R2，避免充電初期高電壓導(dǎo)致二極管燒壞，以保護(hù)發(fā)光二極管[3]。剛開(kāi)始充電時(shí)，超級(jí)電容兩端電壓比較低，LED發(fā)光二極管D1兩端得到的電壓比較高，開(kāi)始發(fā)光，說(shuō)明充電進(jìn)行中；當(dāng)超級(jí)電容逐步充上電后，兩端的電壓升高，同時(shí) LED得到的電壓在下降其發(fā)光的亮度也會(huì)變暗；超級(jí)電容充電到一定程度后，D1獲得的電壓低于導(dǎo)通電壓時(shí)，發(fā)光二極管熄滅，提醒充電結(jié)束。當(dāng)D1熄滅時(shí)，超級(jí)電容還沒(méi)充滿(mǎn)電，充電還會(huì)繼續(xù)，不用擔(dān)心充電過(guò)度問(wèn)題。選用的發(fā)光二極管D1要求導(dǎo)通電壓盡量低些，在熄滅時(shí)超級(jí)電容可以得到更多的電壓[4]。充電電路如圖2所示。

3.2 超級(jí)電容放電降壓電路

實(shí)現(xiàn)電路降壓穩(wěn)壓功能的方式有穩(wěn)壓管穩(wěn)壓、三極管反饋穩(wěn)壓、集成芯片穩(wěn)壓等方式。本電路選用集成芯片穩(wěn)壓方式，選ams1117-3.3 V降壓穩(wěn)壓器，芯片資料如圖3所示，基本參數(shù)如表3所示。

圖2 超級(jí)電容充電圖Fig.2 Super capacitor charging diagram

圖3 ams1117-3.3 V穩(wěn)壓器Fig.3 ams1117-3.3 V regulator

表3 ams1117-3.3 V芯片資料Tab.3 ams1117-3.3 V chip data

從資料中得出，穩(wěn)壓芯片ams117-3.3 V是一種輸入電壓為 4.75 V～12 V，輸出電壓為 3.3 V 的正向低壓降穩(wěn)壓器，通過(guò)對(duì)輸出電壓采樣，然后反饋到調(diào)節(jié)電路去調(diào)節(jié)輸出級(jí)調(diào)整管的阻抗，當(dāng)輸出電壓偏低時(shí)，就調(diào)節(jié)輸出級(jí)的阻抗變小從而減小調(diào)整管的壓降，當(dāng)輸出電壓偏高時(shí)，就調(diào)節(jié)輸出級(jí)的阻抗變大從而增大調(diào)整管的壓降，因此維持輸出電壓的穩(wěn)定。應(yīng)用超級(jí)電容和降壓穩(wěn)壓芯片的降壓電路[5]如圖4所示。

圖4 超級(jí)電容降壓穩(wěn)壓電路Fig.4 Super capacitor step-down regulator circuit

C1是超級(jí)電容供電電源；D0是發(fā)光二極管，起檢測(cè)電路是否工作的作用；R0是D0的限流電阻，使D0在上電時(shí)能工作在正常狀態(tài)下，D0的正常工作電流是 10 mA～20 mA，取 R0為 275 Ω；C2和 C3都是輸出濾波電容，作用是減小輸出電壓紋波并抑制AMS1117的自激振蕩，C2是高頻濾波電容，減小由于負(fù)載電流瞬時(shí)變化引起的高頻干擾，取0.1 μF；C3是低頻濾波電容，減小輸出脈動(dòng)和低頻干擾，取4.7 μF[6]。

超級(jí)電容C1作為電源供電，輸出電壓從5.5 V呈指數(shù)下降；AMS1117-3.3 V穩(wěn)壓芯片工作電壓為4.75 V～12 V；由此C1的供電電壓下降到4.75 V后，電路停止工作。在電路串聯(lián)一個(gè)LED發(fā)光二級(jí)管D0用來(lái)檢測(cè)電路是否處于工作狀態(tài)。為了保證電路電壓信號(hào)的穩(wěn)定性，在穩(wěn)壓芯片輸出端加入濾波電路。

超級(jí)電容外接負(fù)載，隨著放電時(shí)間延長(zhǎng)，超級(jí)電容輸出電壓的變化呈指數(shù)函數(shù)下降，微小的電壓波動(dòng)都會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，變化的電壓不可以直接作用于負(fù)載。為了避免由于超級(jí)電容電壓的降低影響負(fù)載的正常工作，需要電壓控制電路達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的，從而提高超級(jí)電容儲(chǔ)能的利用率。因此采用超級(jí)電容作為獨(dú)立電源供電時(shí)，輸出的電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后再接入負(fù)載。

濾波電容并聯(lián)在電路輸出端不僅使電源輸出更平穩(wěn)，還吸收電子電路工作過(guò)程中產(chǎn)生的電流波動(dòng)使得電子電路的工作性能更加穩(wěn)定[7]。

3.3 超級(jí)電容輸出電壓穩(wěn)壓控制

穩(wěn)壓控制功能：控制電路能夠通過(guò)對(duì)輸出電壓的反饋與控制使電壓保持在3.3 V上。通過(guò)MSP430對(duì)電路控制的方法是通過(guò)調(diào)整由MSP430輸出的占空比的PWM波形，MSP430芯片控制電路如圖5所示。

圖5 單片機(jī)MSP430芯片控制電路Fig.5 MCU MSP430 chip control circuit diagram

電路通過(guò)ams1117芯片降壓輸出電壓為3.3 V，單片機(jī)所需要的電壓也為3.3 V，通過(guò)單片機(jī)的A3端口采集電路輸出端的電壓，再把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，將采集到的電壓與事先單片機(jī)內(nèi)編寫(xiě)設(shè)定好的額定值3.3 V進(jìn)行比較，如果采集到的電壓值與3.3 V有誤差，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的算法控制，由端口P4.0產(chǎn)生一個(gè)PWM波形圖，對(duì)輸出的PWM波形進(jìn)行調(diào)整后輸出，調(diào)整后將電壓保持在3.3 V，可以給負(fù)載供電。

4 超級(jí)電容理論電量計(jì)算

所選超級(jí)電容充電完成后，電容兩端電壓為5.5 V； 穩(wěn)壓芯片 ams1117-3.3 V 最低工作電壓為4.75 V。根據(jù)超級(jí)電容的儲(chǔ)能特點(diǎn)，其電壓從5.5 V下降到4.75 V時(shí)，單體所釋放的能量[8]為

式中：W是電源所釋放的能量；Umax是電源輸出最大電壓；Umin是電路工作最小電壓；C是超級(jí)電容的電容量；U是負(fù)載端的電壓；I是負(fù)載端的電流；t是電路工作時(shí)間。

單體電容所能提供電量為

單體電容不足以提供負(fù)載電量。所以選擇兩個(gè)電容串聯(lián)作為電源為電路供電。兩個(gè)5.5 V/0.33 F的電容進(jìn)行串聯(lián)作為電源，電源電壓增大，電容總?cè)萘繙p小。

式中：U′是兩個(gè)超級(jí)電容串聯(lián)作為電源時(shí)電源端的總電壓；U1，U2是單個(gè)電容兩端的電壓；C′是兩個(gè)超級(jí)電容串聯(lián)的電容量；C1，C2單個(gè)電容的電容量。

穩(wěn)壓芯片ams1117-3.3V工作電壓范圍為4.75 V～12 V，所以串聯(lián)的兩個(gè)超級(jí)電容能夠作為穩(wěn)壓芯片的驅(qū)動(dòng)。以?xún)蓚€(gè)串聯(lián)的電容作為電容，按圖2所示電路圖驅(qū)動(dòng)負(fù)載，電源理論上所能提供能量為

式中：W′是串聯(lián)超級(jí)電容可以提供的能量。

根據(jù)能量守恒定律，負(fù)載所能得到的能量為8.121 J。

輸出的電壓為 3.3 V，負(fù)載端的電壓為 3.3 V，所以負(fù)載能得到的電量理論上為

式中：Qz為電阻作為負(fù)載時(shí)負(fù)載所得電量。

由于Qz大于Qc、Qh、Ql，所以?xún)蓚€(gè)串聯(lián)的超級(jí)電容Eecs0hd334h作為電容式電子測(cè)壓器的供電電源在理論上可行。

5 超級(jí)電容實(shí)測(cè)

為了方便實(shí)驗(yàn)，電路負(fù)載選擇用220 Ω電阻代替電容式電子測(cè)壓器，對(duì)電源的供電情況進(jìn)行測(cè)試。負(fù)載為220 Ω，電壓為3.3 V，因此負(fù)載端的電流為15 mA。電容式電子測(cè)壓器在常溫、高溫、低溫三種狀態(tài)下最大的耗電量為 0.51 mA·h，即 1.8 A·s。所以：

式中：Q為負(fù)載所需電量；I為經(jīng)過(guò)負(fù)載的電流；t為電路工作時(shí)間。

所以只要電路實(shí)測(cè)出來(lái)的時(shí)間只要超過(guò)120 s，則說(shuō)明兩個(gè)超級(jí)電容串聯(lián)作為電源供電可行。

按照?qǐng)D4所示電路圖連接實(shí)物，負(fù)載接220 Ω電阻，將LED燈亮的時(shí)間作為電路工作的時(shí)間，即電源輸出電壓的時(shí)間。分別對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行3次充放電，經(jīng)測(cè)試 3次的時(shí)間分別為 187 s，163 s，169 s，3次測(cè)得的時(shí)間均大于120 s，所以串聯(lián)的2個(gè)超級(jí)電容可以為負(fù)載為220 Ω的電阻供電達(dá)到要求的負(fù)載。

6 結(jié)語(yǔ)

超級(jí)電容放電電路經(jīng)過(guò)降壓、穩(wěn)壓、濾波后可以輸出穩(wěn)定的輸出電壓，所以穩(wěn)壓電路所選擇元器件合理。一個(gè)超級(jí)電容作為電源為電路供電不足以供給負(fù)載足夠的功耗，為此選擇兩個(gè)相同的超級(jí)電容串聯(lián)起來(lái)給負(fù)載供電。利用220 Ω的電阻為電路負(fù)載時(shí)，超級(jí)電容可以滿(mǎn)足負(fù)載0.5 mA·h的功耗，電容式電子測(cè)壓器在常溫、高溫、低溫三種狀態(tài)下所需的功耗也在電源可以供給的功耗范圍內(nèi)，將超級(jí)電容EECS0HD334H兩個(gè)串聯(lián)起來(lái)作為電容式電子測(cè)壓器的電源是合理的。