程亞杰，李新娥

（中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051）

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

電源選用5.5 V/0.33 F超級電容Eecs0hd334h，負載所需電壓為3.3 V，所以首先設計降壓電路，選用降壓芯片ams1117-3.3 V，其次負載需要穩(wěn)定的電壓，由MSP430檢測終端輸出的電壓值與設定的供電電壓值3.3 V相比較，用PID算法所產生的PWM控制輸出調節(jié)，最終使輸出電壓達到所需要的額定值。

1 低功耗的電容式電子測壓器

電容式電子測壓器由傳感器、電路、加速度傳感器智能開關和軟件組成。利用電容充放電原理設計的微小電容檢測電路作為電子測壓器的重要組成部分，主要由信號調理電路模塊、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。限制于測壓器的體積，隨之也限制了供電電源的體積，相應地，電源容量也被限制，因此超級電容單獨供電時，負載為低功耗尤為重要。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，電路在需要工作時給其供電，不需要工作時斷電，減小電路不必要的功耗。電源控制技術是電容式電子測壓器低功耗的關鍵技術，并且采用對系統(tǒng)各部分單獨供電的方法，即對于各個模塊在不同狀態(tài)下是否需要工作的狀況，選用通過SOC控制各獨立電源的打開與關閉，為其提供電源或者切除電源，以消除無效損耗，實現(xiàn)系統(tǒng)微功耗的目的[1]。電容式電子測壓器原理如圖1所示，電容式電子測器各工作狀態(tài)與其期間所消耗的功耗[2]如表1所示。

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

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

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

對于CMOS電路，功耗滿足：

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

每個狀態(tài)的總耗電量：

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

2 超級電容選型

超級電容作為一種新型電力儲能器件，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能元件，通過極化電解質來儲能，這種儲能過程是可逆的。優(yōu)點是功率密度高、快速充放電、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬、在很小體積下達到法拉級的電容量，無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能力。選擇超級電容時，根據功率要求、放電時間、系統(tǒng)電壓變化來選擇。參照最高工作電壓、工作截止時間、平均放電電流、放電時間多長這些參數。

根據電容式電子測壓器的指標要求，測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。根據這些參數，選擇Panasonic SD系列超級電容器Eecs0hd334h，0.33 F/5.5 V，產品信息如表2所示。

3 超級電容放電電源電路的硬件設計

通過超級電容的充放電特性，利用超級電容給低功耗系統(tǒng)的電容式電子測壓器供電。研究和設計超級電容的放電以及控制電路，首先在電路中實現(xiàn)一個降壓功能，將所選超級電容EECS0HD334H提供的額定電壓5.5 V下降到電子測壓器電路需要的3.3 V電壓；然后在電路中設計穩(wěn)壓控制的功能，這個控制電路通過對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載端提供穩(wěn)定的電壓。

表2 超級電容Eecs0hd334h產品信息Tab.2 Super capacitor Eecs0hd334h product information

3.1 超級電容充電電路

超級電容可反復充電，直接接上電源就可以直接充電，不需要復雜的充電保護電路，只要充電電壓不高于其額定的最大工作電壓即可[2]。超級電容EECS0HD334H耐電電壓5.5 V，充電時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，尖峰電壓達到5.7 V。超級電容與50 Ω的電阻R1串聯(lián)在電路中，超級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LED發(fā)光二極管，用來檢測R1兩端的電壓，給發(fā)光二極管串聯(lián)一個限流電阻200 Ω R2，避免充電初期高電壓導致二極管燒壞，以保護發(fā)光二極管[3]。剛開始充電時，超級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，開始發(fā)光，說明充電進行中；當超級電容逐步充上電后，兩端的電壓升高，同時 LED得到的電壓在下降其發(fā)光的亮度也會變暗；超級電容充電到一定程度后，D1獲得的電壓低于導通電壓時，發(fā)光二極管熄滅，提醒充電結束。當D1熄滅時，超級電容還沒充滿電，充電還會繼續(xù)，不用擔心充電過度問題。選用的發(fā)光二極管D1要求導通電壓盡量低些，在熄滅時超級電容可以得到更多的電壓[4]。充電電路如圖2所示。

3.2 超級電容放電降壓電路

實現(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，基本參數如表3所示。

圖2 超級電容充電圖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，通過對輸出電壓采樣，然后反饋到調節(jié)電路去調節(jié)輸出級調整管的阻抗，當輸出電壓偏低時，就調節(jié)輸出級的阻抗變小從而減小調整管的壓降，當輸出電壓偏高時，就調節(jié)輸出級的阻抗變大從而增大調整管的壓降，因此維持輸出電壓的穩(wěn)定。應用超級電容和降壓穩(wěn)壓芯片的降壓電路[5]如圖4所示。

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

C1是超級電容供電電源；D0是發(fā)光二極管，起檢測電路是否工作的作用；R0是D0的限流電阻，使D0在上電時能工作在正常狀態(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，減小由于負載電流瞬時變化引起的高頻干擾，取0.1 μF；C3是低頻濾波電容，減小輸出脈動和低頻干擾，取4.7 μF[6]。

超級電容C1作為電源供電，輸出電壓從5.5 V呈指數下降；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LED發(fā)光二級管D0用來檢測電路是否處于工作狀態(tài)。為了保證電路電壓信號的穩(wěn)定性，在穩(wěn)壓芯片輸出端加入濾波電路。

超級電容外接負載，隨著放電時間延長，超級電容輸出電壓的變化呈指數函數下降，微小的電壓波動都會影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，變化的電壓不可以直接作用于負載。為了避免由于超級電容電壓的降低影響負載的正常工作，需要電壓控制電路達到穩(wěn)定輸出電壓的目的，從而提高超級電容儲能的利用率。因此采用超級電容作為獨立電源供電時，輸出的電壓經過穩(wěn)壓后再接入負載。

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程中產生的電流波動使得電子電路的工作性能更加穩(wěn)定[7]。

3.3 超級電容輸出電壓穩(wěn)壓控制

穩(wěn)壓控制功能：控制電路能夠通過對輸出電壓的反饋與控制使電壓保持在3.3 V上。通過MSP430對電路控制的方法是通過調整由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MSP430芯片控制電路Fig.5 MCU MSP430 chip control circuit diagram

電路通過ams1117芯片降壓輸出電壓為3.3 V，單片機所需要的電壓也為3.3 V，通過單片機的A3端口采集電路輸出端的電壓，再把模擬量轉換成數字量，將采集到的電壓與事先單片機內編寫設定好的額定值3.3 V進行比較，如果采集到的電壓值與3.3 V有誤差，通過單片機內部的算法控制，由端口P4.0產生一個PWM波形圖，對輸出的PWM波形進行調整后輸出，調整后將電壓保持在3.3 V，可以給負載供電。

4 超級電容理論電量計算

所選超級電容充電完成后，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。根據超級電容的儲能特點，其電壓從5.5 V下降到4.75 V時，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是超級電容的電容量；U是負載端的電壓；I是負載端的電流；t是電路工作時間。

單體電容所能提供電量為

單體電容不足以提供負載電量。所以選擇兩個電容串聯(lián)作為電源為電路供電。兩個5.5 V/0.33 F的電容進行串聯(lián)作為電源，電源電壓增大，電容總容量減小。

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

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)的兩個超級電容能夠作為穩(wěn)壓芯片的驅動。以兩個串聯(lián)的電容作為電容，按圖2所示電路圖驅動負載，電源理論上所能提供能量為

式中：W′是串聯(lián)超級電容可以提供的能量。

根據能量守恒定律，負載所能得到的能量為8.121 J。

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

式中：Qz為電阻作為負載時負載所得電量。

由于Qz大于Qc、Qh、Ql，所以兩個串聯(lián)的超級電容Eecs0hd334h作為電容式電子測壓器的供電電源在理論上可行。

5 超級電容實測

為了方便實驗，電路負載選擇用220 Ω電阻代替電容式電子測壓器，對電源的供電情況進行測試。負載為220 Ω，電壓為3.3 V，因此負載端的電流為15 mA。電容式電子測壓器在常溫、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為負載所需電量；I為經過負載的電流；t為電路工作時間。

所以只要電路實測出來的時間只要超過120 s，則說明兩個超級電容串聯(lián)作為電源供電可行。

按照圖4所示電路圖連接實物，負載接220 Ω電阻，將LED燈亮的時間作為電路工作的時間，即電源輸出電壓的時間。分別對超級電容進行3次充放電，經測試 3次的時間分別為 187 s，163 s，169 s，3次測得的時間均大于120 s，所以串聯(lián)的2個超級電容可以為負載為220 Ω的電阻供電達到要求的負載。

6 結語

超級電容放電電路經過降壓、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。一個超級電容作為電源為電路供電不足以供給負載足夠的功耗，為此選擇兩個相同的超級電容串聯(lián)起來給負載供電。利用220 Ω的電阻為電路負載時，超級電容可以滿足負載0.5 mA·h的功耗，電容式電子測壓器在常溫、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，將超級電容EECS0HD334H兩個串聯(lián)起來作為電容式電子測壓器的電源是合理的。