1、引言

　　隨著電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展，國內(nèi)開展先進飛機配電系統(tǒng)研究的技術手段已比國外八十年代好得多,， 對固態(tài)功控系統(tǒng)研究，就是基于目前飛機配電系統(tǒng)的發(fā)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(jīng)處于研發(fā)之中,，SSPC 組共享大規(guī)?？刂菩酒蛇M一步提高功率密度和擴展功能?，F(xiàn)在國外對進行研究的公司有美國的印和立奇等，國內(nèi)對的研究處于工程樣機階段,。

　　2,、系統(tǒng)總體結構框圖

　　如圖 1 所示，每路 SSPC 取樣電阻上的電壓經(jīng)過調(diào)理電路和低通濾波器以后,，送到 4 通道 A/D 轉(zhuǎn)換器的一個模擬輸入端,，A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出端、狀態(tài)信號和控制信號分別接到 CPLD 的 I/O 引腳,，便于程序控制 A/D 轉(zhuǎn)換器的動作,。CPLD 另外的 I/O 口可以配置為 MOSFET 的開關命令輸出口線、SSPC 的狀態(tài)輸出口線和與上位機相連的控制命令輸入口線;CPLD 自身提供的 JTAG BST 電路,，可以方便的測試系統(tǒng)內(nèi)部器件之間的連接和檢驗器件的操作,。

　　3、硬件設計

　　3.1 邏輯控制器件

　　根據(jù)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(xiàn)，數(shù)字電路的體積相當龐大,，因此我們采用復雜可編程邏輯器件 -CPLD,。ALTERA 公司的可編程邏輯器件在工業(yè)界是最快和最大的，該公司的 PLD 器件不僅具有 PLD 的一般優(yōu)點,，而且還有如下一些優(yōu)勢：高性能,、高集成度、價格合理、開發(fā)周期較短和利于編程,。

　　根據(jù)軟件所需要的資源,，邏輯主控芯片采用 ALTERA 公司的 MAX3000A 系列芯片中的 EPM3256ATC144-10，相對于 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，一般來說,，對于控制信號的輸出,，+5V 電壓可靠性高些，但是低電壓,、低功耗是以后的發(fā)展趨勢,，并且也利于以后的換代產(chǎn)品的設計，而對于可靠性的考慮可以通過加強外圍電路的設計來達到系統(tǒng)設計的要求,。

　　3.2 電力 MOSFET 的驅(qū)動電路

　　控制命令經(jīng)過光耦隔離輸出后,，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于反相輸入端電壓,，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于反相輸入端電壓,，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 管的導通時間不至于太快或太慢,，減小寄生振蕩，該電阻值應隨被驅(qū)動器件額定電流值的增大而減小,。

　　3.3 信號采集電路

　　1,、模擬量采集電路。信號采樣,！調(diào)理的方塊圖如圖 3 所示,。模擬信號經(jīng)過隔離電路，得到取樣電壓,，經(jīng)過一定比例的放大,，通過跟隨器進行阻抗匹配，最后經(jīng)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(zhuǎn)換器的模擬輸入端,。

　　需要模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬電壓信號為直流電壓信號，范圍大概在 0V-7V 之間,，由于 SSPC 在電路中是用來作為負載的一個開關保護措施,， 因此，要求其動作時間盡可能的快,，細化到電路的每一個環(huán)節(jié),，就要求 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間盡量小，在 A/D 的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時間之間權衡,，得出一個折中的方案,。經(jīng)過對比，采用 AD 公司的 12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD7874,，這是一款 4 通道同時采樣,，12 位快速低功耗的 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部包括一個 12 位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器,、片上時鐘和四個采樣 / 保持器,。這樣，避免了四個輸入通道共享一個采樣 / 保持器所帶來的問題一通道間采樣出現(xiàn)相位差,。

　　2,、開關量采集電路。開關量主要有兩個：表示負載狀態(tài)的 STA_LOAD 和表示電力 MOSFET 狀態(tài)的 STA_SSPC,。規(guī)定：當負載的電流大于 SSPC 額定電流的 15%時,，表示負載狀態(tài)的開關量 STA_LOAD 為低（0）;當 MOSFET 處于導通狀態(tài)時，表示 MOSFET 開通關斷狀態(tài)的開關量 STA_SSPC=1,。通過對 CPLD 采集到的 A/D 通道的數(shù)據(jù)進行判斷：當 i_load 大于負載電流的 15%時，表明負載導通,，置 STA_LOAD0;當 i_load 小于負載電流的 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(qū)動與隔離電路設計,。CPLD 與外圍器件接口時,，應考慮驅(qū)動能力，在中間添加驅(qū)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(tài)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(nèi)核供電,，因此對 SSPC 狀態(tài)信號的采集和控制信號的輸出都需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換和電氣隔離,，具體采用光耦隔離的方式，既實現(xiàn)了電氣隔離,，又實現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)換,。當控制信號從 CPLD 輸出時，因光耦的驅(qū)動電流相對較大（20mA 左右）,，如果直接從 CPLD 輸出來驅(qū)動,，就會使 CPLD 因電流太小而無法驅(qū)動，因此實際中采用六通道反相器 74HC04 來做光耦前一級的驅(qū)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(qū)動,。

　　3.4 電源電路

　　在目前的實驗系統(tǒng)中，SSPC 的供電由市電經(jīng)變換得來,。它所使用得電源種類較多,，包括 2.5V， 3.3V,， +5V,，-5V， 12V 等,。其中,，2.5 V 為 CPLD 核心所使用的電源，CPLD 的 I/O 引腳需要使用 3.3V 的電源,，+5 V 電源用于一些外設器件和參考標準,，12V 電源主要用于運算放大器和比較器。3.3V 和 2.5V 電源都是由 5V 電源變換得到的,。5V 和 12V 則采用了 ANSJ 公司生產(chǎn)的 AC/DC 電源?？斓玫剑@類電源使用簡單,，具備高功率,、高效率、寬輸入范圍,、低噪聲,、可靠及應用簡易等優(yōu)點，且結構緊密,，具有優(yōu)良的輸出編程和低待機損耗等特性,，具備輸出過壓保護及過溫關機功能。圖 4 是 5V 轉(zhuǎn) 2.5V 和 3.3V 的電源電路,，采用了輸出電壓連續(xù)可調(diào)的器件 LM317,。它可以提供高達 1.5A 電流,，而且電壓調(diào)整方便，非常適合 CPLD 的供電要求,。如圖 4 中的 2 圖所示,，輸出電壓 VCCINT=1.25（1+R1/R2）+IADJR2。

　　4,、可編程邏輯區(qū)設計

　　1,、A/D 數(shù)據(jù)采集模塊。利用狀態(tài)機的概念,，一個步驟對應一個狀態(tài),，每個狀態(tài)賦予 CPLD 特定的功能。將 AD7874 的工作大致分為 10 個步驟區(qū)間,。AD7874 轉(zhuǎn)換的量化噪聲與輸出位數(shù)和量化步長有關,，輸出位數(shù)越多，量化步長越小,，則量化噪聲越小,。實際 A/D 轉(zhuǎn)換器多為定點制，動態(tài)范圍為±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

　　如果 AD7874 為 12 位,，則 SNR=70dB 左右,，在應用中一般已經(jīng)足夠，字長過長并不是非常必要,，因為輸入模擬信號本身有一定的信噪比,，A/D 轉(zhuǎn)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,、開關量采集模塊,。上位機下傳的控制信號，由于存在各種干擾,，使得開關量在實驗中經(jīng)常出現(xiàn)抖動，另一方面,，電路中經(jīng)過比較器得到的開關量（如 STA _SSPC）,，由于主電路中的電流不穩(wěn)定，偶爾出現(xiàn)電流過沖,，使得送到 CPLD 的開關量信號也會出現(xiàn)抖動;這些都會導致 SSPC 經(jīng)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,。實際中采用的是延遲電路后級加上 R-S 觸發(fā)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(jīng)過兩級的 D 觸發(fā)器延遲后,，然后再通過 RS 觸發(fā)器作處理,。

　　3、整個數(shù)據(jù)分析過程包括以下幾部分：

　?。?） 當電流在額定范圍內(nèi),，SSPC 正常工作;

　　（2） 電流大于額定電壓,，小于額定電壓的 800%時,，SSPC 進入反時限保護;

　　（3） 當電流大于額定電流的 800%時,，SSPC 立刻跳閘,。

　　4、邏輯判斷模塊,。邏輯判斷模塊將采集到的電流信號,、接收到的控制命令和內(nèi)部狀態(tài)，經(jīng)過邏輯判斷后,，綜合得出電力 MOSFET 的導通 / 關斷指令,，作為驅(qū)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(xiàn)的問題就是誤動作，為此,，采用了較為復雜的控制邏輯,，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,。