基于微型脈沖供電式光電倒置開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

針對(duì)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)低功耗的要求， 研制了微型脈沖供電式光電倒置開(kāi)關(guān)。介紹了研制背景和意義， 闡述了設(shè)計(jì)過(guò)程及工作原理。此種開(kāi)關(guān)是一種新型開(kāi)關(guān)， 具有低電壓驅(qū)動(dòng)、低功率損耗、微小體積、延時(shí)功能和適用于批量生產(chǎn)的微型器件， 其工作時(shí)不需要人為接觸操作， 只需要將開(kāi)關(guān)倒置， 就能實(shí)現(xiàn)關(guān)、開(kāi)狀態(tài)的單向轉(zhuǎn)換。該微型開(kāi)關(guān)是電源控制技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)， 也是實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)微功耗的關(guān)鍵部件， 實(shí)驗(yàn)已取得預(yù)期的效果。

　　在應(yīng)用存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)， 測(cè)試系統(tǒng)通常安裝在被測(cè)體上， 由于被測(cè)體所處的環(huán)境惡劣， 對(duì)測(cè)試系統(tǒng)提出了嚴(yán)格要求： 微體積、微功耗、高可靠性、耐高低溫、抗高沖擊和抗振動(dòng)等。微體積的要求使得存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電源的體積要求極為苛刻， 為此要盡可能地降低整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的功耗。例如， 火炮膛壓測(cè)試是檢測(cè)火炮系統(tǒng)性能的重要手段， 中北大學(xué)研制的放入式電子測(cè)壓器在測(cè)量火炮膛壓時(shí)， 必須隨彈藥保高溫( + 55 ℃) 或低溫( - 40℃) 或常溫( + 20℃) 達(dá)48 h, 放入式電子測(cè)壓器必須在彈藥保溫前放入藥筒中， 因此， 在保溫前把電子測(cè)壓器接通電源， 但是只維持等待工作狀態(tài)( 電流小于60uA ) , 在實(shí)彈射擊試驗(yàn)前通過(guò)某種微型倒置開(kāi)關(guān)使電子測(cè)壓器進(jìn)入全工作狀態(tài)( 電流小于6mA) , 在火炮膛壓測(cè)試結(jié)束后測(cè)試系統(tǒng)又自動(dòng)轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)保持狀態(tài)， 維持低功耗， 讀出數(shù)據(jù)后立刻斷電， 這樣可實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的微功耗。電源控制技術(shù)是存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)微功耗的關(guān)鍵技術(shù)， 而微型倒置開(kāi)關(guān)是實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)微功耗的關(guān)鍵部件。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

　　微型脈沖供電式光電倒置開(kāi)關(guān)由光電控制模塊和CPLD 控制模塊組成， 原理框圖如圖1 所示。

　　圖1 中D1 是紅外發(fā)光二極管， Q1 是光敏三極管， IR 是脈沖電壓信號(hào)， ID 是光敏三極管的輸出信號(hào)， PON 是延時(shí)上電控制信號(hào)。為了降低光電倒置開(kāi)關(guān)的功耗， 光電控制模塊的紅外發(fā)光二極管采用脈沖驅(qū)動(dòng)方式。CPLD 控制模塊產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管的脈沖電壓信號(hào)， 同時(shí)產(chǎn)生延時(shí)上電控制信號(hào)控制存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

　　2 光電控制模塊設(shè)計(jì)

　　光電控制模塊主要由光電耦合電路及光發(fā)射-接收結(jié)構(gòu)組成。光電耦合電路由紅外發(fā)光二極管、光敏三極管及限流電阻組成。光發(fā)射-接收結(jié)構(gòu)內(nèi)部是錐體結(jié)構(gòu)， 外部是T 型結(jié)構(gòu)， 小鋼球置于光發(fā)射-接收結(jié)構(gòu)的內(nèi)部， 小鋼球在其內(nèi)部能自由活動(dòng)。

　　光發(fā)射-接收結(jié)構(gòu)的外壁上設(shè)置有透光孔， 紅外發(fā)光二極管和光電三極管光路對(duì)準(zhǔn)相對(duì)安裝在透光孔位置， 紅外光發(fā)射與接收的方式采用直射式， 如圖2所示。

　　紅外發(fā)光二極管具有能耗小、響應(yīng)速度快、抗干擾能力和可靠耐用等優(yōu)點(diǎn)。紅外發(fā)光二極管作為發(fā)射器把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為紅外光信號(hào)， 光敏三極管作為接收器， 接收到紅外光信號(hào)再將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在本微型開(kāi)光設(shè)計(jì)過(guò)程中選用與紅外發(fā)光二極管配套的光敏三極管。

　　當(dāng)光電開(kāi)關(guān)處于倒置狀態(tài)時(shí)， 如圖2( b) 所示，小鋼球擋住透光孔， 隔斷光路， 光敏三極管輸出低電平; 當(dāng)光電開(kāi)關(guān)處于正置狀態(tài)時(shí)， 如圖2( a) 所示，小鋼球不會(huì)擋光， 紅外光路導(dǎo)通， 光電三極管的發(fā)射極輸出脈沖信號(hào)， 此脈沖信號(hào)與驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的脈沖電壓信號(hào)頻率相同， 占空比相同。