范新明 陳亞玲 張宇坤 郭建奇

摘要：飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)中存在大量的功率繼電器和接觸器，機(jī)載計算機(jī)驅(qū)動這些負(fù)載需要功率控制裝置和過流保護(hù)裝置。傳統(tǒng)的驅(qū)動和保護(hù)電路設(shè)計，使用機(jī)載斷路器或小型繼電器加熔斷絲實現(xiàn)。斷路器和繼電器本身存在機(jī)械動作次數(shù)有限，響應(yīng)速度較慢，平均壽命較低的缺點。近些年出現(xiàn)的固態(tài)功率控制器，通過反延時保護(hù)算法，實現(xiàn)了過流保護(hù)的快速控制。但固態(tài)功率控制器需軟件實現(xiàn)反時限保護(hù)算法，硬件電路實現(xiàn)較復(fù)雜，降低了產(chǎn)品的可靠性。針對此問題，該文基于電流控制器芯片，采用MOS管實現(xiàn)功率驅(qū)動和過流保護(hù)，該電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，過流保護(hù)時間可調(diào)。經(jīng)試驗驗證，該電路能夠很好地實現(xiàn)功率驅(qū)動和過流保護(hù)，具有重要的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：功率驅(qū)動;過流保護(hù);結(jié)構(gòu)簡單;可靠性高

中圖分類號：TH134? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）03-0230-02

Abstract： There are a large number of power relays and contactors in airborne electromechanical system， airborne computers drive the loads need power control devices and overcurrent protection devices. The traditional methods use circuit breakers or small relays with fuse. Both circuit breakers and relays have limited action times， slow response speed and short service life. The Solid-State Power Controller （SSPC） realizes fast overcurrent protection with the inverse time algorithm. However， the inverse time algorithm needs software and complicated hardware circuits， which decreases products reliability. In order to solve this problem， this paper adopts MOS-FET to realize power drive and overcurrent protection based on current controller chip. This scheme has simple circuit structure， high reliability and configurable overcurrent protection time. The experiments show that designing circuit can realize the power driver and overcurrent protection and it has important application value.

Key words： power driver; overcurrent protection; simple Structure; high reliability

機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)中存在大量的功率繼電器、接觸器和活門等功率裝置，機(jī)載計算機(jī)驅(qū)動這些繼電器和接觸器需要功率控制裝置和過流保護(hù)裝置[1-2]。傳統(tǒng)驅(qū)動和保護(hù)電路，使用機(jī)載斷路器或小型繼電器加熔斷絲實現(xiàn)，基本可以滿足驅(qū)動和保護(hù)功能。但是這種實現(xiàn)方式的保護(hù)動作時間一般大于1ms，如果電路中的瞬態(tài)電流過大，將損壞機(jī)載計算機(jī)本身和后級控制電路。近些年，隨著固態(tài)功率控制器的出現(xiàn)，通過反時限保護(hù)算法，實現(xiàn)了將過流保護(hù)動作時間縮短到微秒級別，但是這種固態(tài)功率控制器需軟件實現(xiàn)反時限保護(hù)算法，硬件電路實現(xiàn)較復(fù)雜，降低了產(chǎn)品的可靠性[3-5]。本文針對以上問題，基于電流控制器芯片和MOS管，實現(xiàn)了功率驅(qū)動和過流保護(hù)功能。該電路結(jié)構(gòu)簡單，占用板面積小，過流保護(hù)時間可調(diào)，在實現(xiàn)功率驅(qū)動的同時，能夠很好地保護(hù)自身電路，可靠性和安全性高。

1 電路結(jié)構(gòu)

驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)見圖1。

控制信號由FPGA輸出，經(jīng)總線隔離器后輸入到電流控制器芯片，當(dāng)控制信號為高時，控制MOS管導(dǎo)通，輸出28V。同時，通過采樣電阻R4檢測通路上的電流，當(dāng)通路上的電流或者施加在MOS管上的功率超過預(yù)先設(shè)定的值時，過流保護(hù)功能開啟，待保護(hù)時間達(dá)到后，徹底關(guān)斷MOS管，關(guān)斷輸出。此外，通過對IMON信號、#PG信號和#FLT信號的采集，可以實現(xiàn)對通路電流、電源狀態(tài)以及跳閘狀態(tài)的采集。

2 電流控制器工作原理

本文基于電流控制器實現(xiàn)功率驅(qū)動和過流保護(hù)，該芯片具有14個引腳，采用電荷泵利用N-MOS實現(xiàn)高開輸出，它是一種恒功率控制芯片，具有功率保護(hù)點和電流保護(hù)點兩個保護(hù)點，其功率點、電流點和保護(hù)時間都可以進(jìn)行預(yù)先配置。電流點用來實現(xiàn)在設(shè)定電流處實現(xiàn)保護(hù)關(guān)斷，當(dāng)檢測到通路上的電流大于保護(hù)電流時，將電流維持在電流保護(hù)點對保護(hù)時間設(shè)定處的電容進(jìn)行充電，電容兩端電壓充到4V時，將輸出關(guān)斷。電容的充電時間即為過流保護(hù)時間。功率點用來保護(hù)N-MOS器件不被燒壞，當(dāng)檢測到N-MOS的功耗大于設(shè)定的功率時，將功率限制在設(shè)定的功率點。電流控制器芯片檢測通路上的電流，根據(jù)電流控制MOS管GS之間的壓差，實時動態(tài)的在調(diào)整MOS管的導(dǎo)通阻抗，從而控制通路電流處于一定值。當(dāng)正常導(dǎo)通時，GS之間壓差比較大，MOS管工作在飽和區(qū)，其導(dǎo)通電阻很小， MOS管DS之間壓差很小，其本身承受的功率也很小。當(dāng)保護(hù)時，GS之間壓差比較小，其處于似通非通狀態(tài)，MOS管工作在可變電阻區(qū)，MOS管導(dǎo)通電阻比較大，通過MOS管電阻的變化來限制通路電流。由于其處于可變電阻區(qū)，在保護(hù)時MOS管本身承受的功率比較大。當(dāng)MOS管本身承受的功率比較小時，電流超過電流點時，會觸發(fā)保護(hù)，電流控制器芯片將通路電流限制在電流點，待保護(hù)時間滿足后，關(guān)斷輸出。當(dāng)MOS管本身承受的功率比較大時，超過了預(yù)先設(shè)置的功率點，此時電流控制器芯片將MOS管的功率限制在功率點，可以保護(hù)MOS管不被燒壞。

3 參數(shù)設(shè)計

某飛機(jī)傳感器配電接口要求如下：正常配電時輸出電壓為28V，驅(qū)動電流不小于0.1A，當(dāng)通路電流超過額定電流9倍時，接口應(yīng)自鎖短路保護(hù)，保護(hù)時間為200±50μs。

針對該需求，采用電流控制器芯片，設(shè)計如下：

1）電流點設(shè)置：驅(qū)動電流不小于0.1A，9倍過流即0.9A時需要進(jìn)行過流保護(hù)，即電流點為0.9A，則

根據(jù)標(biāo)稱電阻值，選取一個30 mΩ和一個23mΩ的電阻串聯(lián)，則實際電流點0.943A，可以滿足實際使用需求。

2）保護(hù)時間設(shè)置：保護(hù)時間的設(shè)置跟引腳4端外接電容有關(guān)，參考器件手冊，當(dāng)外接電容為1.25nF時，保護(hù)時間為200us。

3）功率點設(shè)置：功率點的設(shè)置是為了保護(hù)MOS管，設(shè)置的功率點應(yīng)該保證MOS管不被燒壞，應(yīng)該在MOS管的SOA曲線之內(nèi)。查MOS管的SOA曲線，選取功率點功率為20W。功率點的設(shè)置取決于3腳PROG端的電壓，其公式如下：

則選取R2和R2分別為10KΩ和10KΩ，則

則實際功率為18.86W。電流控制器芯片屬于恒功率控制器件，控制MOS管承受的功率，其計算方式如下：

在保護(hù)過程中，當(dāng)VDS比較小時，通路電流會比較大，當(dāng)VDS比較大時，通路電流會比較小。保護(hù)過程中，通路電流最大為電流點電流。過流保護(hù)時，MOS管VDS壓降小，因此將電流限制在0.943A。當(dāng)外部負(fù)載短路接地時，此時MOS管VDS壓降為28V，會觸發(fā)功率點保護(hù)，此時將電流限制在18.86/28=0.637A。不管過流保護(hù)還是短路保護(hù)，當(dāng)保護(hù)時間滿足后，徹底關(guān)斷輸出。

4 實驗結(jié)果

針對設(shè)計的電路，采用電子負(fù)載進(jìn)行試驗，其實驗連接圖如下圖所示。上電后，先讓輸出通道輸出高，暫不接通電子負(fù)載。將電子負(fù)載調(diào)整為恒流模式，將通路電流設(shè)為1A，然后再將電子負(fù)載接通，在接通的瞬間，電路進(jìn)行了保護(hù)，其實驗結(jié)果如下圖所示。

黃色線條為4引腳TIMER端電壓，藍(lán)色線條為輸出電壓，粉色線條代表通路電流。由上圖可知，上電后通道首先輸出，輸出端電壓為28V，當(dāng)電子負(fù)載接通的瞬間，檢測到通路電流大于電流點電流，即啟動了保護(hù)。在保護(hù)的過程中，給TIMER端電容充電，當(dāng)TIMER端電壓達(dá)到4V時，關(guān)斷輸出。在整個保護(hù)過程中，通路電流一直維持在電流點，實測約為0.925A，保護(hù)時間約為220us。實測保護(hù)電流和保護(hù)時間與設(shè)計指標(biāo)基本一致，可以滿足實際使用需求。

上圖為過流保護(hù)圖片，上電待通道輸出后，直接將輸出接地，即可觸發(fā)短路保護(hù)，其圖片與上圖基本一致，區(qū)別是在保護(hù)過程中的電流大小。短路保護(hù)時觸發(fā)功率點保護(hù)，經(jīng)實際測試，在保護(hù)過程中，將電流限制在0.62A，保護(hù)時間與過流保護(hù)時間一致。

5 總結(jié)

本文設(shè)計的功率驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單，占板面積小，驅(qū)動能力滿足要求，能夠?qū)崿F(xiàn)過流保護(hù)和短路保護(hù)。經(jīng)實際測試，各項指標(biāo)可以滿足系統(tǒng)實際使用需求，具有一定的工程應(yīng)用價值，可以進(jìn)行一定的推廣應(yīng)用。

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