一种基于fpga的小卫星电源系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于FPGA的小卫星电源系统，太阳能充电模块为锂聚合物电池充电，休眠与唤醒模块连通FPGA供电模块，将太阳能电池的输出电压转化为FPGA控制模块的工作电压，电池温度采集模块和电池电量采集模块实时采集锂聚合物电池的温度和电量信息，送入FPGA控制模块进行分析处理，FPGA控制模块输出使能信号，与锂聚合物电池的电量输出共同通过5路输出模块供电。本发明可实现小卫星电源系统的高效率充放电和低纹波稳定输出。
【专利说明】—种基于FPGA的小卫星电源系统
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于航天应用领域，涉及一种卫星电源。
【背景技术】
[0002]目前小卫星上的电源系统管理通常采用FPGA或单片机来实现。相比较而言，FPGA具有静态可重复编程、动态系统重构和可重复配置内部逻辑块和I/o模块等特性，硬件集成度高、运算速度快、可靠性高的优势使得FPGA逐渐成为一般星载电源系统的首选控制单元。实际的设计过程中，每一项基本任务在FPGA里都分配有各自的资源，运行独立，从而提高了数据吞吐量，并且在很大程度上消除了基本任务之间的相互影响，提高了系统的稳定度和可靠性。现阶段国外的小卫星电源系统基本是采用FPGA来实现的，国内研究起步较晚，发展空间较大。而质量轻、输出稳定度高、充放电效率高、电量不易流失等方面同样是衡量空间小卫星性能的重要因素。
[0003]具体来看，如国内浙江大学发射的ZDPS-1A号小卫星，其自身电源系统不含控制模块，这间接提高了整个小卫星电源系统控制的难度，且ZDPS-1A的电源系统未实现最大功率点跟踪技术，使得充电效率较低。清华大学的“清华一号”小卫星，存在储能时间较低的缺陷，且其电源系统的主控芯片为AT89C51，在处理速度和稳定性的性能远不如FPGA。现有的小卫星电源系统无法兼具质量轻，供电稳定，效率高等优点。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于FPGA的小卫星电源系统，可通过FPGA控制管理小卫星电源系统，实现小卫星电源系统的高效率充放电、低纹波稳定输出；独特设计的电源系统休眠与唤醒模块结合FPGA相互工作，克服了电量流失快的缺点，实现了电量的长期存储。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于FPGA的小卫星电源系统，包括太阳能充电模块、5路输出模块、FPGA控制模块、休眠与唤醒模块、电池电量采集模块、电池温度采集模块、FPGA供电模块和锂聚合物电池。所述的太阳能充电模块和休眠与唤醒模块连通太阳能电池的输出端，太阳能充电模块为锂聚合物电池充电，休眠与唤醒模块连通FPGA供电模块，将太阳能电池的输出电压转化为FPGA控制模块的工作电压，电池温度采集模块和电池电量采集模块实时采集锂聚合物电池的温度和电量信息，送入FPGA控制模块进行分析处理，FPGA控制模块输出使能信号，与锂聚合物电池的电量输出共同通过5路输出模块为小卫星中不超过5个子系统供电；FPGA控制模块同步管理太阳能充电模块、5路输出模块、休眠与唤醒模块、电池电量采集模块和电池温度采集模块。
[0006]所述的FPGA控制模块采用ALTERA公司的EP3C10E144C8N，FPGA控制模块将电池电量采集模块采集的电量与设定的阈值相比较，控制5路输出的通断，实现电池电量的储存，并防止锂聚合物电池发生过放故障；FPGA控制模块将电池温度采集模块采集的温度与设定的阈值相比较，当温度大于阀值时，控制5路输出模块的通断，对锂聚合物电池形成保护；FPGA控制模块设定最大功率点跟踪的电压点，与太阳能电池输出的最大功率点电压相匹配。
[0007]所述的休眠与唤醒模块控制模块FPGA控制模块断电休眠，并在休眠后由太阳能电池的供电唤醒。
[0008]所述的5路输出模块与锂聚合物电池之间串接自恢复保险丝；所述的5路输出模块与FPGA控制模块串接隔离器，在防止使能信号短路的同时放大使能信号。
[0009]本发明的有益效果是:太阳能充电模块将前端太阳能电池的输出转换为可供锂聚合物电池充电的电压,并恒流对电池充电,且可实现最大功率点跟踪技术，使充电效率大幅度提升；5路输出模块将从锂聚合物电池输出的电量经过自恢复保险丝稳定输出，并将从FPGA输出的使能信号放大后稳定输出，每路输出电压可达5V，电流可达IA以上；休眠与唤醒模块可自主实现主控单元FPGA的休眠，并通过太阳能充电完成FPGA的唤醒，从而实现电源系统自身的低功耗工作，达到电量的长期储存；电池电量采集模块实时采集电池电量，并将采集的模拟数据经A/D后转变为数字信号传输给FPGA，以便进一步处理；电池温度采集模块可实现对锂聚合物电池温度的实时采集，并将采集到的数据转化为数字信号，传输给FPGA控制模块，并与FPGA内部设置的锂聚合物电池温度阀值相比较，方便FPGA给出下一步操作指令，以保证锂聚合物电池在合适的温度中正常工作。采总体而言，本发明设计的基于FPGA的小卫星电源系统，不仅具有充电效率高、自身消耗少、电量易于长期储存的特点，还能至多为小卫星中5个其它子系统供电，且输出纹波小，稳定度高，保证了小卫星的正常工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明的结构原理框图；
[0011]图2为本发明中的休眠与唤醒模块电路原理图；
[0012]图3为本发明中的5路输出模块电路原理图；
[0013]图4为本发明中的电池温度采集模块电路原理图；
[0014]图5为本发明中的太阳能充电模块电路原理图；
[0015]图6为本发明中的电池电量采集模块电路原理图；
[0016]图7为本发明中的FPGA供电模块电路原理图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
[0018]一种基于FPGA的小卫星电源系统,包括了太阳能充电模块、5路输出模块、FPGA控制模块、休眠与唤醒模块、电池电量采集模块、电池温度采集模块、FPGA供电模块和锂聚合物电池。其中，太阳能电池输出端输出的电量分为两路，一路连接太阳能充电模块的输入端，而太阳能充电模块的输出端连接锂聚合物电池，实现锂聚合物电池的充电；太阳能电池输出的另一路与休眠与唤醒模块相连，休眠与唤醒模块配合FPGA供电模块，实现了将电池输出电压转化为FPGA工作电压供FPGA工作的管理。电池温度采集模块和电池电量采集模块实时采集电池的温度和电量信息，上述这两个模块又与FPGA相连接，将采集到的信息送Λ FPGA进行分析处理。电池的电量输出和FPGA的使能信号输出，共同构成了小卫星电源系统的5路输出模块，可以至多为小卫星中5个其它子系统供电。FPGA作为小卫星电源系统的主控模块，同步管理太阳能充电模块、5路输出模块、休眠与唤醒模块、电池电量采集模块和电池温度采集模块。该电源系统提供5路5V输出，输出稳定，纹波小，满足小卫星的工
作需要。
[0019]本发明的进一步技术方案是:FPGA控制模块采用ALTERA公司的EP3C10E144C8N，其自身功耗仅为同类型FPGA的75%，含有5000到120000个逻辑单元以及多达288个数字信号处理乘法器，存储器容量也达到4Mbits，满足小卫星电源系统的数据处理需求，并具有一定的空间工作能力。FPGA通过给5路输出模块提供使能信号，完成对5路输出模块的控制；FPGA通过给休眠与唤醒模块中的N沟道MOS管发送高低电平和给该模块中的D触发器发送清零信号来完成对休眠与唤醒模块的管理；FPGA通过接收电池电量采集模块采集的电量，将已转换成数字信号的电量数据通过PID算法与FPGA内部设定的阀值相比较，根据电池的即时电量，FPGA内部发出相应指令，控制5路输出的通断，有效实现电池电量的长期储存，并起到防止电池发生过放故障的作用；FPGA通过接收电池温度采集模块采集的电池温度数据，将已转换成数字信号的温度数据通过PID算法与FPGA内部设定的阀值相比较，当温度大于阀值时，FPGA内部发出相应指令，控制5路输出模块的通断，从而对锂聚合物电池形成保护；FPGA通过给太阳能充电模块发送使能信号，完成对太阳能充电的控制，并且，FPGA内部可设定最大功率点跟踪(MPPT)的电压点，与太阳能电池输出的最大功率点电压相匹配，从而使太阳能充电实现最大功率点跟踪技术，最大限度的提升充电效率。
[0020]本发明的进一步技术方案是:所述休眠与唤醒模块可用于对控制模块FPGA断电休眠，实现小卫星电源系统自身的低功耗运行。休眠后，可由前端太阳能供电，再次通过休眠与唤醒电路，实现FPGA的供电，达到小卫星电源系统的正常工作状态。
[0021 ] 本发明的进一步技术方案是:所述电池温度采集模块可实现对锂聚合物电池温度的实时采集，并将采集到的数据转换为数字信号，传输给FPGA控制模块，并与FPGA内部设置的锂聚合物电池温度阀值相比较，方便FPGA给出下一步操作指令。
[0022]本发明的进一步技术方案是:所述电池电量采集模块可实现对锂聚合物电池电量的实时采集，并将采集的模拟数据经A/D后转变为数字信号传输给FPGA，以便进一步处理。
[0023]本发明的进一步技术方案是:所述5路输出模块在输出5路电压的同时，也输出了5路使能信号。串接的自恢复保险丝可有效防止短路的发生；串接的隔离器，在有效防止使能信号链路的短路情况发生的同时，对使能信号输出起到一个放大的作用，缓解了由于线路原因导致的使能信号减弱的情况。
[0024]本发明的进一步技术方案是:所述FPGA供电模块可实现3路不同电压的输出，满足FPGA工作需求，为FPGA控制模块的正常工作提供保障，从而在一定程度上确保了小卫星电源系统的稳定性。
[0025]参照图1，一种基于FPGA的小卫星电源系统，包括太阳能充电模块、5路输出模块、FPGA控制模块、休眠与唤醒模块、电池电量采集模块、电池温度采集模块、FPGA供电模块和锂聚合物电池。如图1所示，太阳能电池输出端输出的电量分为两路，一路连接太阳能充电模块的输入端，而太阳能充电模块的输出端连接锂聚合物电池，实现锂聚合物电池的充电；太阳能电池输出的另一路与休眠与唤醒模块相连，休眠与唤醒模块配合FPGA供电模块，实现了将电池输出电压转化为FPGA工作电压供FPGA工作的管理。电池温度采集模块和电池电量采集模块实时采集电池的温度和电量信息，上述这两个模块又与FPGA相连接，将采集到的信息送入FPGA进行分析处理。电池的电量输出和FPGA的使能信号输出，共同构成了小卫星电源系统的5路输出模块，可以至多为小卫星中5个其它子系统供电。FPGA作为小卫星电源系统的主控模块，与其它模块相连接，同步管理太阳能充电模块、5路输出模块、休眠与唤醒模块、电池电量采集模块和电池温度采集模块。
[0026]本发明的FPGA控制模块，采用ALTERA EP3C10E144C8N来作为设备的主控。FPGA通过给5路输出模块提供使能信号，完成对5路输出模块的控制；FPGA通过给休眠与唤醒模块中的N沟道MOS管发送高低电平和给该模块中的D触发器发送清零信号来完成对休眠与唤醒模块的管理；FPGA通过接收电池电量采集模块采集的电量，将已转换成数字信号的电量数据通过PID算法与FPGA内部设定的阀值相比较，根据电池的即时电量，FPGA内部发出相应指令，控制5路输出的通断，有效实现电池电量的长期储存，并起到防止电池发生过放故障的作用；FPGA通过接收电池温度采集模块采集的电池温度数据，将已转换成数字信号的温度数据通过PID算法与FPGA内部设定的阀值相比较，当温度大于阀值时，FPGA内部发出相应指令，控制5路输出模块的通断，从而对锂聚合物电池形成保护；FPGA通过给太阳能充电模块发送使能信号，完成对太阳能充电的控制，并且，FPGA内部可设定最大功率点跟踪(MPPT)的电压点，与太阳能电池输出的最大功率点电压相匹配，从而使太阳能充电实现最大功率点跟踪技术，最大限度的提升充电效率。
[0027]本发明的休眠与唤醒模块电路原理图如图2所示。休眠时，FPGA给型号为SN54HC74的D触发器的I端口发送cIr清零信号，使得二极管D8截止。同时，FPGA给二极管D9发送低电平，使得D9截止。那么，N沟道MOS管Q5无电流流经，导致P沟道MOS管Q4也截止，VBAT无输出。而VBAT后续连接的是FPGA的供电模块，因此FPGA断电，从而进入休眠状态。唤醒时，当该模块前端太阳能输出VIN大于6V时，R26两端电压大于1.2V。而比较器U5A设定的比较电压为1.2V，因而电流经U5A的2端口输出到U6的3端口，使得U6中电流从2端口流向6端口，从而拉高D8的电平，D8与D9形成的或门的关系，使得Q5导通，进一步使得Q4导通，FPGA正常供电，达到了唤醒的目的。
[0028]本发明的5路输出模块电路原理图如图3所示。其中，每一路的电量直接从锂聚合物电池输出，中间串接型号为nSMD150的自恢复保险丝。该保险丝最大维持电流1.5A，最小动作电流3A，可有效防止电源系统中供电电路短路的发生。每一路同时输出由FPGA提供的使能信号，分别为EN1、EN2、EN3、EN4和EN5，中间串接型号为74LVC4245的隔离器，可有效防止使能信号电路的短路发生，并且该隔离器还具有信号放大作用，缓解了由于线路原因导致的使能信号减弱的情况。
[0029]本发明的电池温度采集模块电路原理图如图4所示。其中，UlO直接附在锂聚合物电池下，且UlO的I端口和2端口与FPGA相连，将采集到的数据发送给FPGA进行进一步处理。
[0030]本发明的太阳能充电模块电路原理图如图5所示。其中，太阳能电池转换的电量从Pl端输入，经Dl和D2两个二极管及N沟道MOS管Ql后，流入太阳能充电芯片U3的PH和BTST端，最后U3的SRP和SRN两端产生40mv的电压，使得通过RS的充电电流达到2A，实现对电池的大电流充电。同时，热敏电阻R6和R13对温度进行实时感应，当温度过高时，U3的TERM-EN端输出低电平，充电停止。U3的STATl端外接LED灯，当充电进行时，LED灯常亮。U3的STAT2端外接LED灯，当充电完成时，该外接LED灯常亮。该太阳能充电模块的总通断是由Q2的4端口连接的由FPGA提供的充电使能信号决定的。更进一步，U3的MPPSET端口可自行设置输入电压值，以便实现最大功率点跟踪技术，达到高效率充电的目的。
[0031]本发明的电池电量采集模块电路原理图如图6所示。其中，U8的4端口与锂聚合物电池相连接，实时采集电池电量信息；U8的9端口和10端口分别作为数据信号和时钟信号与FPGA相连，将采集到的数据发送给FPGA进行进一步处理。
[0032]本发明的FPGA供电模块电路原理图如图7所示。锂聚合物电池的输出端与U12的5端口相连，U12的I端口输出3.3V电压，供FPGA正常工作；同时，该3.3V电压分别送入Ull和U13的I端口，Ull和U13的5端口再分别输出1.2V和2.5V电压，供FPGA正常工作。
【权利要求】
1.一种基于FPGA的小卫星电源系统，包括太阳能充电模块、5路输出模块、FPGA控制模块、休眠与唤醒模块、电池电量采集模块、电池温度采集模块、FPGA供电模块和锂聚合物电池，其特征在于:所述的太阳能充电模块和休眠与唤醒模块连通太阳能电池的输出端，太阳能充电模块为锂聚合物电池充电，休眠与唤醒模块连通FPGA供电模块，将太阳能电池的输出电压转化为FPGA控制模块的工作电压，电池温度采集模块和电池电量采集模块实时采集锂聚合物电池的温度和电量信息，送入FPGA控制模块进行分析处理，FPGA控制模块输出使能信号，与锂聚合物电池的电量输出共同通过5路输出模块为小卫星中不超过5个子系统供电；FPGA控制模块同步管理太阳能充电模块、5路输出模块、休眠与唤醒模块、电池电量采集模块和电池温度采集模块。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的小卫星电源系统，其特征在于:所述的FPGA控制模块采用ALTERA公司的EP3C10E144C8N，FPGA控制模块将电池电量采集模块采集的电量与设定的阈值相比较，控制5路输出的通断，实现电池电量的储存，并防止锂聚合物电池发生过放故障；FPGA控制模块将电池温度采集模块采集的温度与设定的阈值相比较，当温度大于阀值时，控制5路输出模块的通断，对锂聚合物电池形成保护；FPGA控制模块设定最大功率点跟踪的电压点，与太阳能电池输出的最大功率点电压相匹配。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的小卫星电源系统，其特征在于:所述的休眠与唤醒模块控制模块FPGA控制模块断电休眠，并在休眠后由太阳能电池的供电唤醒。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的小卫星电源系统，其特征在于:所述的5路输出模块与锂聚合物电池之间串接自恢复保险丝；所述的5路输出模块与FPGA控制模块串接隔离器，在防止使能信号短路的同时放大使能信号。
【文档编号】H02J7/00GK103904748SQ201410139084
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月9日 优先权日:2014年4月9日
【发明者】李立欣, 吕登魁, 申礼斌, 冯浩 申请人:西北工业大学