1、引言

隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)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(shù)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(yīng)運而生的，目前市場上的均為單開關(guān)結(jié)構(gòu)，最近多開關(guān)的 SSPC 組已經(jīng)處于研發(fā)之中，SSPC 組共享大規(guī)模控制芯片，可進一步提高功率密度和擴展功能。現(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(jié)構(gòu)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(guān)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(shè)計

3.1 邏輯控制器件

根據(jù)設(shè)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(fù)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(shè)計，而對于可靠性的考慮可以通過加強外圍電路的設(shè)計來達到系統(tǒng)設(shè)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(gòu)成一定時間的阻容延時，保證 MOS 管的導(dǎo)通時間不至于太快或太慢，減小寄生振蕩，該電阻值應(yīng)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(guān)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(quán)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(guān)量采集電路。開關(guān)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(guān)量 STA_LOAD 為低（0）;當 MOSFET 處于導(dǎo)通狀態(tài)時，表示 MOSFET 開通關(guān)斷狀態(tài)的開關(guān)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(dǎo)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(shè)計。CPLD 與外圍器件接口時，應(yīng)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(shè)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 電源模快得到，這類電源使用簡單，具備高功率、高效率、寬輸入范圍、低噪聲、可靠及應(yīng)用簡易等優(yōu)點，且結(jié)構(gòu)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(guān)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(shè)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(yīng)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(guān)，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(yīng)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)量信號也會出現(xiàn)抖動;這些都會導(dǎo)致 SSPC 經(jīng)常誤動作，為此，需要設(shè)計一個專門的開關(guān)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：

（1） 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(dǎo)通 / 關(guān)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(fù)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。

本文作者創(chuàng)新點

本文基于 CPLD 控制的直流固態(tài)功控系統(tǒng)的研究與設(shè)計。完成了 SSPC 外圍硬件電路設(shè)計，包括主控芯片和 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 MOSFET 主電路及緩沖保護電路的連接，模擬量采集電路，開關(guān)量采集電路，電源電路等;完成了 CPLD 上可編程邏輯部分的 VHDL 實現(xiàn)，包括 A/D 轉(zhuǎn)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。