何愛芹，劉西安，楊張林，楊圣敏，劉傳

（貴州振華群英電器有限公司（國營第八九一廠），貴州貴陽，550018）

0 引言

傳統(tǒng)的航空供配電系統(tǒng)設(shè)計中，常選用可靠性較高的繼電器作為功率控制器件，由于繼電器不具備保護(hù)功能且傳統(tǒng)的配電器使用硬線指令信號進(jìn)行配電控制，導(dǎo)致配套電纜數(shù)量較多[1]，布局復(fù)雜。近年來，隨著航空航天技術(shù)的迅速發(fā)展各種飛機都朝著全電/多電化發(fā)展，機載用電設(shè)備越來越多[2～3]。機載設(shè)備對飛機電氣系統(tǒng)的依賴不斷增強，電氣系統(tǒng)的保護(hù)器件對于保障飛機供電的可靠性和飛行安全起著越來越重要的作用，固態(tài)功率控制器（SolidState Power Controller，SSPC）作為一種機載智能配電設(shè)備具有明顯的優(yōu)勢[4]。SSPC 是集斷路器的線路保護(hù)功能和固態(tài)繼電器可靠性于一體的智能開關(guān)裝置[5～6]，以功率MOSFET 作為開關(guān)器件，具有開關(guān)速度快、無觸點、無電弧、電磁干擾小、可靠性高和便于計算機控制的特點[7]，將會是未來機載設(shè)備實現(xiàn)自動配電的一種核心器件，所以智能配電系統(tǒng)將會是今后機載電源發(fā)展的一個重要方向。本文設(shè)計了一種具有通信、保護(hù)功能的低壓直流SSPC。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的低壓直流功率控制選用抗干擾強、環(huán)溫高的32 位單片機ARM 芯片作為主要控制單元，其內(nèi)置CAN 總線接口、I2C 接口、UART 總線接口、16 位的ADC 采集端口、可作為普通IO 端口22 個，實現(xiàn)電流值的采集和邏輯控制，根據(jù)功能將系統(tǒng)控制器內(nèi)部劃分為電源單元、隔離單元、通信控制單元、電流檢測和保護(hù)單元四部分。電源單元以DC/DC 轉(zhuǎn)換和LDO 降壓實現(xiàn)電源變換，為智能控制器內(nèi)部其他單元提供穩(wěn)定的工作電壓，滿足各單元元器件的工作電壓要求；通信控制單元主要由單片機及其外部應(yīng)急控制電路和串口隔離收發(fā)器構(gòu)成，實現(xiàn)與外部設(shè)備通信、應(yīng)急控制功能，根據(jù)外部設(shè)備的指令實現(xiàn)智能功率控制器接通、關(guān)斷功能；隔離單元實現(xiàn)控制端3.3V 電路和負(fù)載28V 功率端的隔離，保證控制端不受功率端的干擾；電流檢測和保護(hù)單元主要實現(xiàn)功率端實時電流的采集以及電流到達(dá)保護(hù)點時執(zhí)行過流保護(hù)。整體系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 硬件設(shè)計

■2.1 電源單元電路設(shè)計

功率控制器內(nèi)部有功率負(fù)載輸入電源、驅(qū)動芯片供電電源、控制電路供電電源三路，三路電源之間隔離且驅(qū)動芯片供電電源和控制電路供電電源由功率負(fù)載輸入電源28V 轉(zhuǎn)換所得，電源單元原理框圖如圖2 所示。選用單通道的隔離DC/DC 電源模塊作為一級電源模塊，該電源模塊輸出功率為6W，輸入電壓為寬壓輸入(18～36)V，直流穩(wěn)壓輸出12V，滿載效率為85%以上、具有輸出短路、過流、過壓的保護(hù)功能，可以滿足內(nèi)部驅(qū)動芯片電源需求；控制電路部分供電為3.3V，為了防止12V 直接轉(zhuǎn)換成3.3V 降壓太大、造成內(nèi)部熱量增高，所以選用隔離DC/DC 電源模塊作為二級電源，該電源模塊輸出功率為3W，一級電源模塊的輸出12V 作為二級單元的輸入，二級電源5V 穩(wěn)定輸出作為三級電源LDO 芯片的輸入，LDO 電源具有低功耗和低噪聲的特點，適用于單片機及其外部電路工作電源。

圖2 電源單元原理框圖

■2.2 通信單元電路設(shè)計

本設(shè)計的通信方式是異步422 通信，主要由單片機控制器和串口電平轉(zhuǎn)換芯片組成。一方面外部設(shè)備可以通過RS422 方式實現(xiàn)對功率控制器的接通、關(guān)斷控制；另一方面外部設(shè)備可以通過RS422 通信方式獲取當(dāng)前控制狀態(tài)及負(fù)載回路電流值。RS422 為異步串口采用雙端平衡傳輸方式，即輸入輸出均為差分信號，其中一條線是邏輯1 時，另一條線為邏輯0，由兩條雙絞線傳送一對互補信號，不僅抗干擾能力強而且傳輸速率高，傳輸距離可達(dá)1500m，同時為保證傳輸質(zhì)量，常用的匹配方法如圖3 所示，本設(shè)計采用的第(1)種。

圖3 RS422 電阻匹配方法

■2.3 隔離單元電路設(shè)計

在航空配電系統(tǒng)中，負(fù)載端的接通和關(guān)斷經(jīng)常產(chǎn)生浪涌信號，浪涌信號會導(dǎo)致輸入電波形塌陷，使供電質(zhì)量變差，進(jìn)而影響其他電路，為了防止負(fù)載端浪涌信號對控制端電路造成影響，本設(shè)計選用光耦器件進(jìn)行隔離，因為光耦是電氣安規(guī)元器件，具有阻止高電壓以及電壓瞬變發(fā)的功能，使系統(tǒng)某一部分的浪涌不會干擾或其他部分。本設(shè)計光耦隔離電路的原理框圖如圖4 所示。

圖4 隔離單元原理框圖

■2.4 負(fù)載過流保護(hù)電路設(shè)計

負(fù)載電流采集電路由電流采集和過流保護(hù)組成，本設(shè)計的電流采集通過選取可靠性高的電流傳感器實現(xiàn)，由于傳感器需要擁有絕對的靈敏度，設(shè)計中要求這個靈敏度不能隨電源電壓變化而變化，所以在一些應(yīng)中ADC 和電流傳感器不是共享一個電源軌，通常電流傳感器感測電流的值可以用（Vout-VREF）/Senditivity 得到。在本設(shè)計中，選用的電流傳感器芯片雖然沒有VREF 引腳，但是它具有特殊的零點電流電位值，感測電流的值可以用（Vout-V零）/Senditivity 得到。芯片的測量量程是±25 A，測得零點電流時的電壓值V零為1.65 V，電流傳感器的靈敏度Sens 為55mV/A，假設(shè)Vout測量得2.5 V，那么此時輸入電流為（2.5V-1.65V）/55(mV/A)=15.45A。本設(shè)計采用單片機的ADC 管腳直接采集Vout和V零來計算當(dāng)前輸入電流值，數(shù)據(jù)處理時，先校準(zhǔn)零點電流值的保證當(dāng)前電流值的準(zhǔn)確度。除此之外由電流傳感器芯片的FAULT 管腳在傳感器到達(dá)滿量程時，F(xiàn)AULT 管腳自動輸出低電平，經(jīng)光耦轉(zhuǎn)換后供單片機讀取，若光耦4管腳為低電平，說明此時負(fù)載回路未發(fā)生過流現(xiàn)象，若光耦4 管腳檢測到高電平，說明此時負(fù)載回路電流到達(dá)傳感器芯片的滿量程25A，單片機依據(jù)采集的電流值及FAULT 管腳輸出執(zhí)行關(guān)斷指令，實現(xiàn)功率回路的過流保護(hù)。原理框圖如圖5 所示。

圖5 過流保護(hù)電路原理框圖

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計的具體地軟件設(shè)計總流程圖如圖6 所示。功率控制器負(fù)載電源上電后，未執(zhí)行接通指令時，先對當(dāng)前電流傳感器的零點電流值讀取處理，接通后內(nèi)部執(zhí)行邏輯控制和保護(hù)。

圖6 軟件程序設(shè)計原理框圖

■3.1 軟件上電初始化設(shè)計

根據(jù)框圖6所示，處理器上電后，內(nèi)部先對時鐘、IO端口、串口、ADC 初始化配置如圖7 所示。

圖7 初始化程序設(shè)計

■3.2 軟件邏輯控制設(shè)計

根據(jù)框圖7 所示，處理器初始化完成后，分有兩個任務(wù)，第一個任務(wù)是實現(xiàn)接收上位機的串口指令執(zhí)行通斷指令、IO 高低；第二個任務(wù)ADC 采集當(dāng)前具體的功率回路的電流值，作為處理上位機通斷指令的依據(jù)，如圖8 所示。

圖8 邏輯程序設(shè)計

■3.3 軟件數(shù)據(jù)處理設(shè)計

本設(shè)計中涉及的數(shù)據(jù)處理，主要是ADC 采集電流值。大量的電流值作為樣本，典型的冒泡法處理數(shù)據(jù)，將處理后的電流值作為邏輯程序中的判斷依據(jù)。

4 實驗結(jié)果

本設(shè)計中，通過檢測光耦的高低電平判斷功率回路是否觸發(fā)保護(hù)點，若檢測到高電平且存續(xù)一定時間，此時鎖定當(dāng)前狀態(tài)，關(guān)斷MOSFET 切斷功率電，實現(xiàn)點保護(hù)。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合從事的工作，設(shè)計了一種28V/15A 低壓直流功率控制器，實現(xiàn)了15A 額定帶載接通關(guān)斷功能，串口通信和25A 過流保護(hù)功能，經(jīng)過原理樣機試驗，能夠滿足最初設(shè)計參數(shù)，該設(shè)計切實可行。