苗颖1，2，姜鲁华1，徐国宁1
（1.中国科学院光电研究院，北京100094；2.中国科学院研究生院，北京100190）
摘要：供电系统是系留气球的重要组成部分，其正常运行是保证系留气球安全可靠的关键，一些特殊载荷需要不间断供电，即当主供电出现问题时，需要无缝切换到备用电源以实现系统和载荷正常运行。常用主备电切换方式动作缓慢，耗时较长，并且电路复杂可靠性低，结合系留气球供电系统的特点，提出一种简单易实现的不间断供电方式，即在电磁继电器基础上，在备用电源支路上再连接一组开关管并配合小容量电容，当系统检测到电压异常后，开关管在几微秒内快速切换到备用电源，电磁继电器在开关管接通一段时间后也会切换到备份电池，此时备份电池通过两条通路供电给母线，不仅球载电子设备可以稳定工作，而且可靠性大大增加。经过仿真和相关实验，证明这种供电结构实现了不间断供电，并且具有较高的可靠性。
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关键词 ：系留气球；不间断供电；切换方式；开关管
中图分类号：TN06?34；TM774 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）17?0144?05
0 引言
系留气球是一种依靠气囊内的浮升气体获得浮力，并用缆索系在地面设施上的浮空器，可以在空中特定范围内实现定高度、长时间驻留[1]。系留气球作为一种可长时间连续滞空的载体，非常适合搭载各类任务设备，具有广泛的用途，可用于气象探测、环境监测、广播通信、地形测绘、低空预警、边海防的空中监测以及反恐监视等方面。随着任务需求的增多，各种电子设备不断加入到系统中，为了保证气球系统能够长期稳定的工作，需要连续不间断地为各种球载电子设备提供电力。空中平台的电源一旦发生故障，平台上的设备没有了动力，不仅无法完成预定的任务，甚至对系留气球降落都带来影响。供电的可靠性，供电的质量以及供电的安全性都是电源设计中必须认真考虑的问题。
供电系统在主备份电源切换方式上采用直接切换，即在主供电出现问题时继电器跳转到备份电源继续供电，这种方式虽然简单易行，但是切换时间比较长，很容易造成敏感电子设备掉电造成的复位等行为。基于以上考虑，对系留气球的不间断供电技术进行研究很有必要。
本文创新之处在于对比现有的主备电切换方式，提出的不间断供电结构可靠性高，切换动作时间非常短暂，所用电路均为模拟电路，简单易行，可实现主备电之间的“ 零断电”，对于系留气球供电系统有一般的适应性。
1 电源切换方式原理及分析
在交流电源停电后，依赖蓄电池储能，经逆变器转换或蓄电池组直接向负载持续供电的电源系统称为不间断供电电源系统[2]。为提高对球上任务载荷供电的可靠性，供电系统常常设计成一主一备双电源供电，备用电源在主电源出现故障时自动启用，实现对负载的不间断供电[3]。
供电系统有两种典型的常用主接线方式：
（1）正常情况下一路进线对母线供电，另一路进线作备用电源，依靠两路进线开关实现自动切换，此种方式称为明备用，如图1（a）所示，主供电正常切换开关状态为闭合，备用电源开关断开，主供电出现故障备用电源切换开关闭合进行供电。
（2）两路工作电源同时供电互为备用，依靠母分开关实现备用电源自动投入使用，此种方式称为暗备用，如图1（b）所示，主供电和备用电源切换开关状态同时为闭合，母分开关断开，此时为主电源供电，当主供电出现故障时，母分开关闭合切换到备用电源供电。
1.1 常用主备电源切换方式
要想实现不间断供电，电源切换是主要问题，对于比较简单的备用电源切换装置，目前通常设计成工作电源开关辅助接点直接起动备用电源，现有技术中应用比较广泛的切换方式根据器件不同大致分为继电器切换和二极管切换，切换方案如图2所示。
继电器切换方式是通过继电器的静触点与第一动触点、第二动触点的切换来实现主/备电源之间的供电切换，且必须在负载端连接有一大容量的电容，如图2（a）所示，主/备份电源之间可实现平稳切换，备份电源的储能作用也能够得到充分发挥，但是存在以下缺点：
（1）负载电压波动大，当备份电源电压较低时，主/备份电源之间的切换将引起掉电等现象；
（2）在接通供电系统的瞬间，电容进行快速充电，很容易损坏电容前面的电路，大容量的电容将容易导致电路存在安全隐患，若不使用大容量的电容进行储能，将导致主/备份电源不能平稳切换。
二极管切换方式采用二极管来实现主/备份电源之间的供电切换，通过二极管的导通和截止来控制备用电源的接入，如图2（b）所示，主/备份电源之间可实现平稳切换，也不需要大容量的电容进行辅助切换，但是存在以下缺点：
（1）当二极管上流过较大的电流时，会在二极管的PN 结上产生较大的压降，不能充分发挥备份电源的储能作用；
（2）在二极管上将产生大量的功耗，必须配合散热器进行散热才能确保电路工作的可靠性，同时由于过高的温升将会引起二极管周围的元器件性能下降，且也不利于产品的小型化；
（3）当备份电源的电量不足时仍然为负载供电，没有过放保护功能，将降低电池的使用寿命。
系统主接线切换方式有明备用和暗备用，其中暗备用应用案例之一是神舟飞船供电结构。神舟飞船供电系统整体上采用的是暗备用切换方式，在供电结构上采用两边对称同时供电的方式，如此的结构设计可以实现系统供电的连续性。
神舟飞船电源系统是我国迄今为止最复杂的空间电源系统[4]，它由主电源、应急电源、返回电源等多种电源组成，存在多种并网供电工作模式，其任务是在待发段、发射段、自主运行段、返回段和着陆段为整船或返回舱提供所需的电能[5?6]。飞船上设置主要负载母线和次要负载母线，当出现供电不足时可以断开部分次要负载。另外，飞船上还安置有可靠的应急蓄电池，主电源一旦出现故障立即启用备份电源确保一段时间的飞行。当负载过大时，主电源供电不足导致母线电压显著下降，应急电源能自动接入母线。
飞船电源分系统的工作状态复杂、功率要求大、可靠性要求高，而且电源并网时需要解决的技术难题很大。基于以上考虑，飞船电源分系统的供电结构并不适合应用到系留气球上，但是相关的思路仍然值得借鉴。
1.2 系留气球电源切换原理
通过对现有的供电方式分析发现，供电结构体系正在朝着更安全、可靠的方向发展，系留气球供电系统也不例外。特别是随着精密电子仪器载荷的增加，供电结构中“不断电”几乎已经是一个必不可少的要求。
系留气球供配电是由地面供电设备将市电变频升压后，通过系缆传送到球上，经过降压并变换后输出直流稳定电压，供给球载平台设备及任务载荷使用[7]。球上还载有应急电源，目的是当主电源电路发生故障时可以跳转到应急电源继续给负载供电。
目前主电源和应急电源之间切换方式采用继电器切换，对于这种直接切换方式来说，虽然在一定程度上提高了直流电源设备运行的可靠性，但切换过程中会造成负载供电的短时中断，影响设备的安全可靠运行，尤其是对于一些比较敏感的电子设备来说，突然的失电会触发其保护措施，继而启动复位等行为，可能会导致进行中的任务失效。
如何实现不间断供电并且还要保证电源的可靠性是本文的主要难点，对比传统的系留气球供电结构，下面将给出一种新型的切换电路。电源切换主要考虑到两种切换方式，第一种为二极管切换，第二种为开关管切换，进行对比后选出最适合的切换方式。
1.2.1 二极管切换电路
二极管切换电路如图3所示，除了正常的继电器外，备用电源回路中加入DC/DC 变换器，其输出为24 V，主电源和备用电源工作时输出电压为28 V。当主电源正常工作时，二极管B点电位为28 V，A点电位为24 V，二极管D1截止，DC/DC变换器没有带载工作，备用电源的损耗可忽略；当主电池耗尽或故障时，二极管B点电位低于A点电位，D1导通，B点电位为24 V，确保用电设备瞬间不掉电（此种工况适用于用电设备能够宽范围工作情况下）。经过一段时间后，继电器切换到备用电源后，供电母线电压≥28 V，二极管D1截止，DC/DC变换器不带载工作，完成不间断切换。
进行相关实验后发现，使用DC/DC 变换器供电存在模块间开关频率不匹配的问题，该方式适用于用电设备能够宽范围工作条件下。
1.2.2 开关管切换电路
为了解决上述提到的问题，采取另一种切换方式，即使用开关配合小容量电容，在电磁继电器切换的间隙为球载设备供电，如图4所示。
目前的双电源自动切换装置大部分由具有机械闭锁的两个接触器构成，都有触点开关，开关时间长而且有火花产生。优秀的双路开关切换延迟时间是0.1~60 s。而一些敏感的设备如可编程序控制器在断电的一个周期即20 ms后就会自动重新启动，所有逻辑都将自动复位，因此切换开关组件的选择对缩短切换时间、保持负载电压稳定具有重要意义。在不改变原先电磁继电器主/备份通路的基础上，采用IGBT或MOS开关器件，作为备用电源的另一通路上的开关，在主母线掉电后迅速接通备用电源。IGBT或MOS开关器件具有无触点、快速、无火花接痕等特点，其开通、关断时间仅为几十微秒[8]，在计算机容许断电的时间内，能够实现无缝切换。电路系统中如果输入信号在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动（起伏），故在切换支路中加入滞回比较电路，此比较器采用LM339迟滞比较器，迟滞比较器又可以理解为加正反馈的单限比较器，输出线路带有电压保护模块，加入其目的是为了保护开关管和电子负载设备免受电压突然冲击造成毁坏，主电路切换原理如下：
（1）主电源正常时，供电母线28 V正常供电，此时开关管处于断开状态；
（2）主电源出现故障，供电母线掉电或电压降低，此时开关管通过电压采集模块检测到主母线掉电或电压降低状态，开关管在几微秒内打开，迅速将备用电源连接到主母线上；
（3）电磁继电器在开关管打开一段时间后切换到备用电源，此时备用电源通过两条通路给供电母线供电，即使开关管损坏断开也不影响正常供电；
（4）开关管电压采集采用分压形式，电路全部是模拟电路，可靠性高。
信号采集模块实时监测供电电压状况，一旦检测到主电源故障立刻切换到备用电源。备用电源采用的是锂电池组，电池长时间频繁切换会导致温度升高，而温度是电池内部化学反应的催化剂，温度高使电池反应加剧。因此需要对电源是否失压进行预测，以防止切换系统频繁动作致使锂电池损坏。
球上控制模块工作范围在18~36 V，也就是当供电电压低于18 V 时系统不能正常工作，这个值即为飞控设备所需最低电压值，主电源供电电压为28 V，本文中拟采用主电源正常工作电压与飞控设备所需最低电压的算术平均值作为判定有失压趋势的临界电压值。通过进一步判断主电压工作状况，经过一定的延时，排除外界因素或负载扰动引起的电压波动。
2 电源不间断切换仿真实验及结果
2.1 电源不间断切换仿真
通过对比上述两种切换方式，原理上开关管切换电路能够较好地实现不间断供电。为了进一步分析其可行性，需进行仿真验证，仿真模型的搭建采用Simulink模块，Matlab 的Simulink 工具是用于各种动态系统建模、分析和仿真的图形交互环境[9]，Simulink仿真具有便利性和真实性，各仿真单元基本可与实物电路对照，此模块具有适应面广，结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际，效率高，灵活等优点，目前Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计中[10]。搭建的模型图和仿真波形图如图5和图6所示。
主电源采用脉冲模拟电源正常和掉电的情况，主电源电压设置为28 V，外加直流电源为5 V，通过比较器判断电压是否断电，根据比较器输出结果控制开关的一端输入，另一端备用电源输入采用25 V直流电压（主要在波形图中观察时比较方便对比原电压大小的变化），控制信号控制备用25 V 电源的投入，在示波器中观察电压的变化，从图6可以看出，电压由28 V 降到0时瞬间接入备用电源，切换时间非常短暂（约为100 μs）且后续电压稳定。
2.2 实验及结果
完成切换电路的仿真模型后认为此种切换电路可实现不间断供电的任务，所以根据切换原理进行实验，所得负载示波器图像如图7所示。
实验对开关管两端电压和负载两端电压进行采集实验，实验波形一为主供电线路中未加入电容，通道1为开关管电压采集检测波形，通道2为负载电压波形，根据主/备电切换原理，在主电源掉电瞬间开关管接通备用电源，由备用电源继续为负载供电，由图中可以看出，切换间隙为50 μs，时间非常短暂，但切换波形动作之间的波动比较大，出现这样的结果是电压有一定反应时间，不能立即为后续供电造成，经过分析认为在主供电线路母线加入小容量的电容即可减少这种现象，实验波形二为主供电线路中配合小容量电容，由图中可以看出断电间隔基本消失，此时可以实现真正意义上的不间断供电。
3 结论
本文通过对现有供电电源切换方式的分析，针对系留气球的特点，设计了一种简单而且可靠性较高的对系留气球载荷设备不间断供电方式，并且优化了电源切换时间系数，可达到几十微秒之内，使主/备电源切换时间大大缩短，可认为实现“零断电”，在进行相关仿真和实验后，认为此种切换模式达到了不间断切换的目的，并且可靠性较高。