基于微型脉冲供电式光电倒置开关的设计
针对存储测试技术对测试系统低功耗的要求， 研制了微型脉冲供电式光电倒置开关。介绍了研制背景和意义， 阐述了设计过程及工作原理。此种开关是一种新型开关， 具有低电压驱动、低功率损耗、微小体积、延时功能和适用于批量生产的微型器件， 其工作时不需要人为接触操作， 只需要将开关倒置， 就能实现关、开状态的单向转换。该微型开关是电源控制技术的关键技术， 也是实现存储测试系统微功耗的关键部件， 实验已取得预期的效果。
在应用存储测试技术进行现场测试时， 测试系统通常安装在被测体上， 由于被测体所处的环境恶劣， 对测试系统提出了严格要求： 微体积、微功耗、高可靠性、耐高低温、抗高冲击和抗振动等。微体积的要求使得存储测试系统对电源的体积要求极为苛刻， 为此要尽可能地降低整个测试系统的功耗。例如， 火炮膛压测试是检测火炮系统性能的重要手段， 中北大学研制的放入式电子测压器在测量火炮膛压时， 必须随弹药保高温( + 55 ℃) 或低温( - 40℃) 或常温( + 20℃) 达48 h, 放入式电子测压器必须在弹药保温前放入药筒中， 因此， 在保温前把电子测压器接通电源， 但是只维持等待工作状态( 电流小于60ua ) , 在实弹射击试验前通过某种微型倒置开关使电子测压器进入全工作状态( 电流小于6ma) , 在火炮膛压测试结束后测试系统又自动转入数据保持状态， 维持低功耗， 读出数据后立刻断电， 这样可实现测试系统的微功耗。电源控制技术是存储测试系统微功耗的关键技术， 而微型倒置开关是实现测试系统微功耗的关键部件。
1 系统总体设计及实现
微型脉冲供电式光电倒置开关由光电控制模块和cpld 控制模块组成， 原理框图如图1 所示。
图1 中d1 是红外发光二极管， q1 是光敏三极管， ir 是脉冲电压信号， id 是光敏三极管的输出信号， pon 是延时上电控制信号。为了降低光电倒置开关的功耗， 光电控制模块的红外发光二极管采用脉冲驱动方式。cpld 控制模块产生驱动红外发光二极管的脉冲电压信号， 同时产生延时上电控制信号控制存储测试系统的工作状态。
2 光电控制模块设计
光电控制模块主要由光电耦合电路及光发射-接收结构组成。光电耦合电路由红外发光二极管、光敏三极管及限流电阻组成。光发射-接收结构内部是锥体结构， 外部是t 型结构， 小钢球置于光发射-接收结构的内部， 小钢球在其内部能自由活动。
光发射-接收结构的外壁上设置有透光孔， 红外发光二极管和光电三极管光路对准相对安装在透光孔位置， 红外光发射与接收的方式采用直射式， 如图2所示。
红外发光二极管具有能耗小、响应速度快、抗干扰能力和可靠耐用等优点。红外发光二极管作为发射器把电信号转换为红外光信号， 光敏三极管作为接收器， 接收到红外光信号再将红外光信号转换为电信号。在本微型开光设计过程中选用与红外发光二极管配套的光敏三极管。
当光电开关处于倒置状态时， 如图2( b) 所示，小钢球挡住透光孔， 隔断光路， 光敏三极管输出低电平; 当光电开关处于正置状态时， 如图2( a) 所示，小钢球不会挡光， 红外光路导通， 光电三极管的发射极输出脉冲信号， 此脉冲信号与驱动发光二极管的脉冲电压信号频率相同， 占空比相同。
3 cpld 控制模块设计
复杂可编程逻辑器件cpld 是从pal、gal基础上发展起来的高密度pld 器件， 它规模较大，可以代替几十甚至上百通用ic 接口芯片。cpld用于系统硬件设计中。不仅简化电路设计， 而且可以节省电路开销。
cpld 控制模块主要由受光电耦合电路控制的脉冲电压发生电路、延时上电控制信号发生电路、时钟电路和电源管理电路组成。
脉冲电压发生电路和延时上电控制信号发生电路由cpld 为主构成， cpld 选用的是莱迪斯公司的型号为ispma ch 4032ze, ispmach 4032ze是1. 8 v 供电的低功耗器件， 采用球栅阵列封装。
时钟电路为cpld 提供时钟信号， 采用epsontoy ocom 公司型号为sg3030lc 的晶体振荡器， 输出频率是32 768hz。
电源管理电路采用maxim 公司的型号为max6138 的集成电路芯片， 输出1. 8 v 电压， 给复杂可编程逻辑器件ispmach 4032ze 供电，max6138 集成电路芯片以及晶体振荡器sg3030lc 的供电电源由与微型开关连接的存储测试系统提供。时钟电路及电源管理电路原理图如图3 示， cpld 内部逻辑电路原理图如图4 示。
图4 中clk 是时钟信号， clrin 是复位信号，u4~ u 8 均为硬件描述语言vhdl ( very highspeed integr ated circuit hardw are descriptionlanguage) 编写的集成电路芯片。脉冲电压发生电路由cpld 的内部逻辑电路的12 位二进制异步计数器u 4、7 位二进制异步计数器u5、d 触发器u7和非门u9 构成。脉冲电压发生电路产生驱动红外发光二极管的脉冲信号ir, 脉冲电压的频率是4hz, 占空比为1：2 047, 将发光二极管的功耗减小到恒压供电时的1/ 2 047。利用脉冲电压驱动方式能够降低红外发光二极管的平均电流， 容许较大的峰值电流流过， 增加红外发光二极管发射的红外光的强度， 这就增加了该微型开关开/ 关状态的稳定性和可靠性并且降低功耗。
红外发光二极管的工作电流有正向工作电流和峰值电流两项， 其中正向工作电流是指采用直流恒定电流驱动方式时的平均工作电流， 峰值电流是指采用直流脉冲电流驱动方式时的峰值驱动电流。
红外发光二极管的正向工作电流i fp 与峰值电流i p之间的关系是：
式中t 0 / t d 为脉冲电流的空度比。空度比越大， 允许的峰值电流越大。为了增加红外线的控制距离， 红外发光二极管应工作于脉冲状态。而脉动光( 调制光) 的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比， 因此只要尽量提高峰值电流i p, 就能增加红外光的发射距离。提高i p 的方法， 是减小脉冲占空比， 即压缩脉冲的宽度τ。但脉冲电流的空度比不能无限加大， 因为空度比过大时， 脉冲的宽度t d 太窄， 红外发光二极管还没来得及响应脉冲电流就消失了， 不能保证控制的有效性。
实验测得： 在供电电压1. 8v 的条件下， 正向工作电流ifp ≈92 ua, 因为空度比
计算红外发光二极管工作于脉冲状态时的峰值电流
。
从计算结果可以看出， 脉冲峰值电流较大， 从而使得发射率提高很多， 这样就增加了该微型开关开/ 关状态的稳定性和可靠性。同时， 可以根据具体需要， 在保证可靠性的前提下， 设置较低点的峰值电流， 实现降低功耗的目的。
延时上电控制信号发生电路由cpld 的内部逻辑电路的12 位二进制异步计数器u4、7 位二进制异步计数器u5~ u6、d 触发器u 8 和与门u10构成。延时上电控制信号发生电路产生延时上电控制信号pon 给存储测试系统， 利用延时上电控制信号的电平变化来控制测试系统从等待工作状态进入全工作状态。
4 倒置开关工作原理及时序仿真
当光电开关处于正置状态时， 小钢球不会挡光， 红外光路导通， 光电三极管的发射极输出脉冲信号， 此脉冲信号与驱动发光二极管的脉冲电压信号频率相同， 占空比相同， 内部信号clr 一直给7位二进制异步计数器u6 清零， u 6 的输出q 为低电平， 延时上电控制信号pon 为低电平。
当光电开关处于倒置状态时， 小钢球挡住透光孔， 红外光路被隔断， 光敏三极管输出低电平， 内部信号clr 为低电平， 清零作用无效， 延时上电控制信号发生电路开始计时， 连续计时满16 s 后延时上电控制信号pon 变为高电平， 该微型开关从“关”状态进入“开”状态， 利用延时上电控制信号的电平变化来控制测试系统从等待工作状态进入全工作状态。若小钢球隔断光路不能持续16 s 以上， 延时上电控制信号发生电路自动复位pon 输出低电平， 该微型开关仍处于“关”状态。
图5 是光路导通时电路可编程逻辑器件ispma ch 4032ze 的内部逻辑电路图的时序仿真图， 图6 和图7 是图5 中一个周期的局部放大图， clk 频率是32 768 hz, ir 信号周期是250 ms, 高电平时间是122us, 占空比1：2 047。图8 是光路隔断时的电路时序仿真图， 光路隔断后id 为低电平， 16 s后信号pon 变为高电平。
5 结束语
该微型倒置开关的壳体与开关各模块之间填充有抗冲击与振动的缓冲材料， 提高了抗冲击与抗振动的能力。该微型倒置开关能够在- 40 ~55℃ 的温度范围内正常工作， 能满足存储测试系统对耐高低温的需求。
本文所设计的微型脉冲供电式光电倒置开关是实现存储测试系统微功耗的关键部件， 具有微体积、微功耗、耐高低温、抗高冲击、抗振动和可靠性高等优点， 该微型开关适用于各种存储测试系统， 值得提倡、采用和推广使用。
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1 系统总体设计及实现
微型脉冲供电式光电倒置开关由光电控制模块和cpld 控制模块组成， 原理框图如图1 所示。
图1 中d1 是红外发光二极管， q1 是光敏三极管， ir 是脉冲电压信号， id 是光敏三极管的输出信号， pon 是延时上电控制信号。为了降低光电倒置开关的功耗， 光电控制模块的红外发光二极管采用脉冲驱动方式。cpld 控制模块产生驱动红外发光二极管的脉冲电压信号， 同时产生延时上电控制信号控制存储测试系统的工作状态。
2 光电控制模块设计
光电控制模块主要由光电耦合电路及光发射-接收结构组成。光电耦合电路由红外发光二极管、光敏三极管及限流电阻组成。光发射-接收结构内部是锥体结构， 外部是t 型结构， 小钢球置于光发射-接收结构的内部， 小钢球在其内部能自由活动。
光发射-接收结构的外壁上设置有透光孔， 红外发光二极管和光电三极管光路对准相对安装在透光孔位置， 红外光发射与接收的方式采用直射式， 如图2所示。
红外发光二极管具有能耗小、响应速度快、抗干扰能力和可靠耐用等优点。红外发光二极管作为发射器把电信号转换为红外光信号， 光敏三极管作为接收器， 接收到红外光信号再将红外光信号转换为电信号。在本微型开光设计过程中选用与红外发光二极管配套的光敏三极管。
当光电开关处于倒置状态时， 如图2( b) 所示，小钢球挡住透光孔， 隔断光路， 光敏三极管输出低电平; 当光电开关处于正置状态时， 如图2( a) 所示，小钢球不会挡光， 红外光路导通， 光电三极管的发射极输出脉冲信号， 此脉冲信号与驱动发光二极管的脉冲电压信号频率相同， 占空比相同。
3 cpld 控制模块设计
复杂可编程逻辑器件cpld 是从pal、gal基础上发展起来的高密度pld 器件， 它规模较大，可以代替几十甚至上百通用ic 接口芯片。cpld用于系统硬件设计中。不仅简化电路设计， 而且可以节省电路开销。
cpld 控制模块主要由受光电耦合电路控制的脉冲电压发生电路、延时上电控制信号发生电路、时钟电路和电源管理电路组成。
脉冲电压发生电路和延时上电控制信号发生电路由cpld 为主构成， cpld 选用的是莱迪斯公司的型号为ispma ch 4032ze, ispmach 4032ze是1. 8 v 供电的低功耗器件， 采用球栅阵列封装。
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红外发光二极管的工作电流有正向工作电流和峰值电流两项， 其中正向工作电流是指采用直流恒定电流驱动方式时的平均工作电流， 峰值电流是指采用直流脉冲电流驱动方式时的峰值驱动电流。
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实验测得： 在供电电压1. 8v 的条件下， 正向工作电流ifp ≈92 ua, 因为空度比
计算红外发光二极管工作于脉冲状态时的峰值电流
。
从计算结果可以看出， 脉冲峰值电流较大， 从而使得发射率提高很多， 这样就增加了该微型开关开/ 关状态的稳定性和可靠性。同时， 可以根据具体需要， 在保证可靠性的前提下， 设置较低点的峰值电流， 实现降低功耗的目的。
延时上电控制信号发生电路由cpld 的内部逻辑电路的12 位二进制异步计数器u4、7 位二进制异步计数器u5~ u6、d 触发器u 8 和与门u10构成。延时上电控制信号发生电路产生延时上电控制信号pon 给存储测试系统， 利用延时上电控制信号的电平变化来控制测试系统从等待工作状态进入全工作状态。
4 倒置开关工作原理及时序仿真
当光电开关处于正置状态时， 小钢球不会挡光， 红外光路导通， 光电三极管的发射极输出脉冲信号， 此脉冲信号与驱动发光二极管的脉冲电压信号频率相同， 占空比相同， 内部信号clr 一直给7位二进制异步计数器u6 清零， u 6 的输出q 为低电平， 延时上电控制信号pon 为低电平。
当光电开关处于倒置状态时， 小钢球挡住透光孔， 红外光路被隔断， 光敏三极管输出低电平， 内部信号clr 为低电平， 清零作用无效， 延时上电控制信号发生电路开始计时， 连续计时满16 s 后延时上电控制信号pon 变为高电平， 该微型开关从“关”状态进入“开”状态， 利用延时上电控制信号的电平变化来控制测试系统从等待工作状态进入全工作状态。若小钢球隔断光路不能持续16 s 以上， 延时上电控制信号发生电路自动复位pon 输出低电平， 该微型开关仍处于“关”状态。
图5 是光路导通时电路可编程逻辑器件ispma ch 4032ze 的内部逻辑电路图的时序仿真图， 图6 和图7 是图5 中一个周期的局部放大图， clk 频率是32 768 hz, ir 信号周期是250 ms, 高电平时间是122us, 占空比1：2 047。图8 是光路隔断时的电路时序仿真图， 光路隔断后id 为低电平， 16 s后信号pon 变为高电平。
5 结束语
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本文所设计的微型脉冲供电式光电倒置开关是实现存储测试系统微功耗的关键部件， 具有微体积、微功耗、耐高低温、抗高冲击、抗振动和可靠性高等优点， 该微型开关适用于各种存储测试系统， 值得提倡、采用和推广使用。
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