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基於CPLD控制的直流固態功控系統的研究與設計

電子設計 2021-03-17 17:16 次閲讀

1、引言

隨着電子技術和計算機技術的迅猛發展,國內開展先進飛機配電系統研究的技術手段已比國外八十年代好得多, 對固態功控系統研究,就是基於目前飛機配電系統的發展應運而生的,目前市場上的均為單開關結構,最近多開關的 SSPC 組已經處於研發之中,SSPC 組共享大規模控制芯片,可進一步提高功率密度和擴展功能。現在國外對進行研究的公司有美國的印和立奇等,國內對的研究處於工程樣機階段。

2、系統總體結構框圖

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3、硬件設計

3.1 邏輯控制器件

根據設計要求,需要集成多個 SSPC 在一塊電路板上,如果完全用分離元件來實現,數字電路的體積相當龐大,因此我們採用複雜可編程邏輯器件 -CPLD。ALTERA 公司的可編程邏輯器件在工業界是最快和最大的,該公司的 PLD 器件不僅具有 PLD 的一般優點,而且還有如下一些優勢:高性能、高集成度、價格合理、開發週期較短和利於編程。

根據軟件所需要的資源,邏輯主控芯片採用 ALTERA 公司的 MAX3000A 系列芯片中的 EPM3256ATC144-10,相對於 MAX7000 系列,MAX3000A 系列的 I/O 電壓為+3.3V,而 MAX7000 系列的 I/O 電壓為+5V,一般來説,對於控制信號的輸出,+5V 電壓可靠性高些,但是低電壓、低功耗是以後的發展趨勢,並且也利於以後的換代產品的設計,而對於可靠性的考慮可以通過加強外圍電路的設計來達到系統設計的要求。

3.2 電力 MOSFET 的驅動電路

控制命令經過光耦隔離輸出後,接到比較器 LM311 的正相輸入端,比較器的反相輸入端輸入的是參考電平 Vref,取 Vref=3V。當 DRV_SSPC1=1 時,光耦輸出高電平,比較器正相輸入端電壓大於反相輸入端電壓,比較器輸出 DRC_OUT 為高電平:當 DRV_SSPC1=0 時,光耦輸出低電平,比較器正相輸入端電壓小於反相輸入端電壓,比較器輸出 DRC_OUT 為低電平;比較器的輸出端接低值電阻 R30,目的是與電力 MOSFET 的 G 極和 D 極間寄生電容構成一定時間的阻容延時,保證 MOS 管的導通時間不至於太快或太慢,減小寄生振盪,該電阻值應隨被驅動器件額定電流值的增大而減小。

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3.3 信號採集電路

1、模擬量採集電路。信號採樣!調理的方塊圖如圖 3 所示。模擬信號經過隔離電路,得到取樣電壓,經過一定比例的放大,通過跟隨器進行阻抗匹配,最後經過濾波處理,濾去信號中的交流分量,得到的信號就可以送到 A/D 轉換器的模擬輸入端。

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需要模數轉換的模擬電壓信號為直流電壓信號,範圍大概在 0V-7V 之間,由於 SSPC 在電路中是用來作為負載的一個開關保護措施, 因此,要求其動作時間儘可能的快,細化到電路的每一個環節,就要求 A/D 轉換器的轉換時間儘量小,在 A/D 的轉換精度和轉換時間之間權衡,得出一個折中的方案。經過對比,採用 AD 公司的 12 位的 A/D 轉換器 AD7874,這是一款 4 通道同時採樣,12 位快速低功耗的 A/D 轉換器,內部包括一個 12 位高速模數轉換器、片上時鐘和四個採樣 / 保持器。這樣,避免了四個輸入通道共享一個採樣 / 保持器所帶來的問題一通道間採樣出現相位差。

2、開關量採集電路。開關量主要有兩個:表示負載狀態的 STA_LOAD 和表示電力 MOSFET 狀態的 STA_SSPC。規定:當負載的電流大於 SSPC 額定電流的 15%時,表示負載狀態的開關量 STA_LOAD 為低(0);當 MOSFET 處於導通狀態時,表示 MOSFET 開通關斷狀態的開關量 STA_SSPC=1。通過對 CPLD 採集到的 A/D 通道的數據進行判斷:當 i_load 大於負載電流的 15%時,表明負載導通,置 STA_LOAD0;當 i_load 小於負載電流的 15%時,表明負載不工作,置 STA_LOAD 為 1。STA_LOAD 通過 CPLD 的 I/O 口輸出。

3、I/O 驅動與隔離電路設計。CPLD 與外圍器件接口時,應考慮驅動能力,在中間添加驅動器和隔離器件,以保護 CPLD 不受損害。因為比較器是 12V 供電,所以出來的狀態量信號為 12V 信號,而邏輯判斷模塊的 CPLD 是 3.3V I/O 供電和 2.5 V 內核供電,因此對 SSPC 狀態信號的採集和控制信號的輸出都需要經過電平轉換和電氣隔離,具體採用光耦隔離的方式,既實現了電氣隔離,又實現了電平轉換。當控制信號從 CPLD 輸出時,因光耦的驅動電流相對較大(20mA 左右),如果直接從 CPLD 輸出來驅動,就會使 CPLD 因電流太小而無法驅動,因此實際中採用六通道反相器 74HC04 來做光耦前一級的驅動。而對輸入 CPLD 的信號,因為是從光耦輸出來的,電流一般不大(Ic《5mA ),所以可以不用反相器來驅動。

3.4 電源電路

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4、可編程邏輯區設計

1、A/D 數據採集模塊。利用狀態機的概念,一個步驟對應一個狀態,每個狀態賦予 CPLD 特定的功能。將 AD7874 的工作大致分為 10 個步驟區間。AD7874 轉換的量化噪聲與輸出位數和量化步長有關,輸出位數越多,量化步長越小,則量化噪聲越小。實際 A/D 轉換器多為定點制,動態範圍為±1,輸出最大值為 1。如果只考慮量化噪聲,則輸入信號信噪比為

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如果 AD7874 為 12 位,則 SNR=70dB 左右,在應用中一般已經足夠,字長過長並不是非常必要,因為輸入模擬信號本身有一定的信噪比,A/D 轉換器的量化噪聲比模擬信號的噪聲電平更低是沒有意義的。

2、開關量採集模塊。上位機下傳的控制信號,由於存在各種干擾,使得開關量在實驗中經常出現抖動,另一方面,電路中經過比較器得到的開關量(如 STA _SSPC),由於主電路中的電流不穩定,偶爾出現電流過沖,使得送到 CPLD 的開關量信號也會出現抖動;這些都會導致 SSPC 經常誤動作,為此,需要設計一個專門的開關量去抖動電路,降低 SSPC 誤動作的概率。實際中採用的是延遲電路後級加上 R-S 觸發器,具體的工作原理如下所述:先將輸入信號先引至輸入端,經過兩級的 D 觸發器延遲後,然後再通過 RS 觸發器作處理。

3、整個數據分析過程包括以下幾部分:

(1) 當電流在額定範圍內,SSPC 正常工作;

(2) 電流大於額定電壓,小於額定電壓的 800%時,SSPC 進入反時限保護;

(3) 當電流大於額定電流的 800%時,SSPC 立刻跳閘。

4、邏輯判斷模塊。邏輯判斷模塊將採集到的電流信號、接收到的控制命令和內部狀態,經過邏輯判斷後,綜合得出電力 MOSFET 的導通 / 關斷指令,作為驅動電路的輸入信號。程序流程如圖 5 所示。在對 SSPC 的控制中,最容易出現的問題就是誤動作,為此,採用了較為複雜的控制邏輯,以此降低 SSPC 誤動作的概率。SSPC 的控制是通過“相鄰兩位、多條指令”兩個步驟來完成的,只有幾個條件同時滿足才能使 SSPC 動作,缺一不可,這就大大降低了 SSPC 誤動作的概率。

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本文作者創新點

本文基於 CPLD 控制的直流固態功控系統的研究與設計。完成了 SSPC 外圍硬件電路設計,包括主控芯片和 A/D 轉換芯片 MOSFET 主電路及緩衝保護電路的連接,模擬量採集電路,開關量採集電路,電源電路等;完成了 CPLD 上可編程邏輯部分的 VHDL 實現,包括 A/D 轉換器的控制,電流的分段保護,SSPC 動作命令判斷邏輯的生成等。

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本書比較系統地介紹了 VHDL 的基本語言現象和實用技術 全書以實用和可操作為基點 簡潔而又不失完整....
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基於CPLD芯片和C8051F020實現聲探測系統數字電路的設計

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