便攜式軍事應(yīng)用中的電源管理解決方案

隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步，戰(zhàn)場(chǎng)上士兵的背包設(shè)計(jì)迅速發(fā)展。一方面，部隊(duì)需要有效的通信和即時(shí)訪問戰(zhàn)略信息。另一方面，設(shè)備需要在極端條件下存活，同時(shí)保持便攜性而不影響性能。

圖1：對(duì)于數(shù)字戰(zhàn)場(chǎng)上的現(xiàn)代士兵來說，可靠的電子設(shè)備同樣重要有效的武器。鋰電池長(zhǎng)期以來一直被認(rèn)為是軍事戰(zhàn)場(chǎng)上便攜式設(shè)備的最佳電源。雖然專業(yè)的軍用級(jí)一次鋰電池不易用于商業(yè)用途，但有一些商業(yè)級(jí)單元被指定用于滿足極端溫度，并且可以用于類似的堅(jiān)固應(yīng)用。 Tadiran電池的TL系列就是一個(gè)例子。然而，隨著功率密度的增加和成本的降低，可充電鋰電池現(xiàn)在變得更加可行。一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它們可以從各種電源進(jìn)行充電，包括便攜式和可穿戴式太陽能電池板以及其他能量收集源。

電源管理是此類應(yīng)用中的關(guān)鍵問題，軍事系統(tǒng)傾向于使用開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換技術(shù)基于降壓 - 升壓拓?fù)?。這些電源管理技術(shù)可以通過利用能量收集顯著轉(zhuǎn)移到需要電池充電的商業(yè)系統(tǒng)。典型解決方案包括凌力爾特公司的LTC3127 DC/DC降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器和LTC3105 DC/DC轉(zhuǎn)換器，以及德州儀器的擴(kuò)展溫度范圍REG71050DDCT開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器和BQ24650電池充電控制器。

更輕的鋰電 - 隨著GPS，先進(jìn)傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在戰(zhàn)場(chǎng)上部署的軍事人員可以使用的便攜式電子設(shè)備種類繁多。越來越多的專用軍用級(jí)可穿戴計(jì)算設(shè)備正在利用商業(yè)技術(shù)。盡管在背包和現(xiàn)場(chǎng)總部中為士兵使用的堅(jiān)固耐用的便攜式計(jì)算機(jī)的開發(fā)做出了相當(dāng)大的努力，但今天的商用智能手機(jī)的剪切功能性能具有巨大的吸引力，盡管尚未得到廣泛部署。同時(shí)，為士兵的背包充滿電子設(shè)備維持電源需要仔細(xì)設(shè)計(jì)和考慮。

低功耗操作和移動(dòng)充電能力是關(guān)鍵考慮因素。在所有電池技術(shù)中，鋰已被證明是小巧輕便的，適用于manpack應(yīng)用。當(dāng)高性能軍事系統(tǒng)需要時(shí)，它們可以快速釋放足夠高的功率。此外，他們可以在長(zhǎng)期存儲(chǔ)或休眠活動(dòng)中維持其充電水平。更重要的是，它們堅(jiān)固耐用，可在極端溫度下工作，同時(shí)在損壞時(shí)也不會(huì)爆炸或點(diǎn)燃，例如用子彈。

直到最近，充電電池還不適合許多軍事系統(tǒng)，主要是因?yàn)樗麄儧]有功率密度，使電池組更大更重。成本也是一個(gè)因素。然而，可充電設(shè)備的性能已得到改善，并且它們?cè)诂F(xiàn)在部署的越來越多的便攜式軍用電子系統(tǒng)中被證明特別有用，例如夜視設(shè)備，緊急定位信標(biāo)和基于GPS的跟蹤器，以及便攜式戰(zhàn)術(shù)計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)。與非可充電電池相比，它們的較短的工作壽命，有限的循環(huán)時(shí)間和較高的自放電率在某些應(yīng)用中仍然被認(rèn)為是不利的，但這些方面的技術(shù)也在改進(jìn)。來自各種電源（如太陽能電池板）的現(xiàn)場(chǎng)充電功能減輕了一些不利因素。

專業(yè)從事軍事和其他高性能應(yīng)用的鋰電池的領(lǐng)先供應(yīng)商是Tadiran電池。該公司提供多種原型和可充電電池系列，具有各種形狀因數(shù)和額定值。這些電池基于鋰亞硫酰氯（Li/SOCI2）化學(xué)，通常具有高能量密度，高功率，低鈍化，極低的自放電率，并且重要的是，在擴(kuò)展的溫度范圍內(nèi)可靠運(yùn)行。筒管式結(jié)構(gòu)版本可以承受壓力和沖擊以及溫度的廣泛波動(dòng)。即使對(duì)于可充電電池，使用壽命也可長(zhǎng)達(dá)15至25年。

該技術(shù)據(jù)稱是需要低連續(xù)電流和/或中等脈沖電流的應(yīng)用的理想選擇。它們?cè)谶h(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用，具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件和醫(yī)療設(shè)備以及軍事設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。雖然專業(yè)初級(jí)（TLM）和可充電（TLI）軍用電池通常是特殊訂單，但市售TLH系列在-55至125°C的擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)提供Tadiran成熟的技術(shù)。 TLH5903S是標(biāo)準(zhǔn)AA電池，額定電壓為3.6 V，容量為2 Ah。建議的最大連續(xù)電流為100 mA，最大脈沖電流能力為200 mA在可再充電鋰電池的軍事應(yīng)用中將如何廣泛使用仍有待觀察。為了給大型系統(tǒng)供電，它們有可能提供比傳統(tǒng)鉛酸或鎳鎘電池更高的能量密度。但是，它們需要滿足擴(kuò)展溫度范圍的要求，不僅用于存儲(chǔ)，還用于充電。 Tadiran采用3.6 V AA TLI電池設(shè)置高壓，工作溫度范圍為-40至85°C，可提供高達(dá)5 A的電流脈沖，并具有5，000次生命周期，相當(dāng)于20年的使用壽命。重要的是，它們可以與太陽能和其他能量收集設(shè)備一起用于充電。

電源管理

在商業(yè)領(lǐng)域，用于電池供電產(chǎn)品的太陽能充電器正變得越來越普遍，導(dǎo)致對(duì)電源和電池管理電路。在軍事應(yīng)用中，電池和電源管理至關(guān)重要，部分原因是，與許多商業(yè)應(yīng)用不同，電池通常需要在短時(shí)間內(nèi)提供特定的功率水平，而不是穩(wěn)定的電源供應(yīng)。監(jiān)測(cè)鋰電池的充電和放電需要仔細(xì)考慮，同時(shí)需要在尺寸，重量，功率容量（功率）和能量容量（持續(xù)時(shí)間）之間取得平衡。

軍事電子系統(tǒng)供應(yīng)商越來越多地轉(zhuǎn)向復(fù)雜的電源管理器，旨在為來自各種來源的任何負(fù)載提供所需的電源。這些設(shè)備需要管理能量清除，通常實(shí)現(xiàn)最大峰值功率跟蹤，然后進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，以向諸如無線電和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用提供恒定，穩(wěn)定的能量。監(jiān)控和管理多個(gè)電源的輸入和輸出的能力至關(guān)重要。這些電源管理器還充當(dāng)智能儲(chǔ)能控制器，將太陽能引導(dǎo)至電池充電以供以后使用，或者如果太陽能系統(tǒng)中的能量不足，則切換到替代電源。

這些電源管理器的核心是DC/DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)，經(jīng)常利用同步整流技術(shù)來減少損耗。對(duì)于未知的輸入和輸出電壓，降壓 - 升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最受歡迎的，它可以提供95％或更高的整體轉(zhuǎn)換效率。小尺寸和低功耗對(duì)于電源管理電路同樣重要，特別是當(dāng)集成到便攜式或士兵式可穿戴設(shè)備中時(shí)。

凌力爾特公司提供LTC3127，一個(gè)降壓升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，可提供輸出電流高于，低于或等于輸出，輸出電流為1A到穩(wěn)壓輸出電壓。該器件具有96％的高效同步整流特性，非常適用于采用超級(jí)電容器或電池供電的系統(tǒng)，這些電池由輸出電流有嚴(yán)格限制的電源供電。

LTC3127的輸入范圍為1.8 V至5.5 V，輸出范圍為1.8 V至5.25 V，兼容USB和單節(jié)鋰電池，鎳氫電池或其他電池應(yīng)用。下面的圖2顯示了鋰離子電池限制為500 mA最大輸入電流的典型應(yīng)用。該器件結(jié)構(gòu)緊湊，采用十引線DFN或熱增強(qiáng)型十二引線MSOP封裝。它還具有低功耗，即使在突發(fā)模式下也只需要35μA的靜態(tài)電流，并且關(guān)斷電流小于1μA。

圖2：凌力爾特公司的LTC3127降壓 - 升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用原理圖，用于鋰電池充電電路，作為采用能量收集技術(shù)的電源管理系統(tǒng)的一部分。推薦用于太陽能電池/超級(jí)電容器充電器的線性電路是LTC3105高效升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器。該器件的輸入電壓低至225 mV，具有250 mV的啟動(dòng)能力，重要的是集成的最大功率點(diǎn)控制器（MPPC），是太陽能和光伏電池等替代電源的理想選擇。用戶可編程的MPPC設(shè)定點(diǎn)可最大限度地提高從電源中提取的能量。

對(duì)此類應(yīng)用特別有用的附加功能包括輔助供電的6 mA LDO，為外部微控制器提供穩(wěn)壓軌和主輸出正在充電時(shí)的傳感器，以及僅為24μA的IQ的突發(fā)模式操作。該電路的工作溫度范圍為-40至85°C，具有低電壓?jiǎn)?dòng)能力，可以提供足夠的功率，使大多數(shù)天氣條件下的400 mAh鋰離子電池充滿電。 》一個(gè)有用的應(yīng)用筆記1描述了基于LTC3105的太陽能鋰離子電池充電器電路。

降壓升壓

同時(shí)，德州儀器提供適用于未調(diào)節(jié)輸入電壓的降壓 - 升壓電壓轉(zhuǎn)換器，如可以在包括鋰離子的電池中找到。 REG71050是一款開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器，可接受從低于輸出電壓的輸入電壓，同時(shí)確保輸出保持穩(wěn)定。據(jù)稱它可以在升壓或降壓應(yīng)用中同樣有效，在設(shè)備內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)模式切換。不需要電感器，因?yàn)樵撈骷商峁┑虴MI DC/DC轉(zhuǎn)換，并可自動(dòng)降低輸出電壓紋波和輸入電流紋波。高開關(guān)頻率（1 MHz）允許使用小型表面貼裝電容器TI推出了類似的電池充電控制方法，使用其BQ24650進(jìn)行了太陽能優(yōu)化。這款高度集成的開關(guān)模式電池充電控制器通過其MPPC功能提供輸入電壓調(diào)節(jié)，當(dāng)輸入降至編程電平以下時(shí)，可降低充電電流。當(dāng)輸入由太陽能電池板供電時(shí)，輸入調(diào)節(jié)回路降低充電電流，使太陽能電池板可以提供最大功率輸出。

采用恒定頻率，同步PWM控制器提供高精度電流和電壓調(diào)節(jié)，充電預(yù)處理，充電終止以及有用的充電狀態(tài)輸出以進(jìn)行監(jiān)控。如果電池電壓低于內(nèi)部閾值，則設(shè)備將自動(dòng)重啟充電周期;當(dāng)輸入電壓低于電池電壓時(shí)，設(shè)備將進(jìn)入低靜態(tài)電流（《15μA）休眠模式?！?.1》 2.1 V電池支持電壓反饋至26 V，包括鋰離子/聚合物和LiFePO 4。這款微型低功耗器件適用于各種太陽能電池充電應(yīng)用，包括便攜式手持設(shè)備和遠(yuǎn)程監(jiān)控站。

圖3：TI的BQ24650EVM -639評(píng)估板用于其同步開關(guān)模式太陽能電池充電控制器設(shè)備。

設(shè)計(jì)人員可能有興趣使用TI評(píng)估板BQ24650 EVM-639試用BQ24650，其中包括控制器設(shè)備，可編程電阻， LED指示燈用于充電狀態(tài)，測(cè)試點(diǎn)和簡(jiǎn)易探頭連接以及跳線。還提供了描述性的用戶指南2。