一種通用型防誤保護(hù)的軟件濾波方法

徐棟，羅德杰，王鵬博，閆穩(wěn)

（中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安，710068）

0 引言

當(dāng)前，由于飛機(jī)系統(tǒng)需求的不斷豐富和完善，飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)品也進(jìn)一步綜合化、集成化，但也因此使飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)電磁環(huán)境越發(fā)復(fù)雜。機(jī)上復(fù)雜電磁環(huán)境可能會(huì)帶來(lái)產(chǎn)品中功率輸出電路誤保護(hù)，誤輸出等現(xiàn)象。而對(duì)于干擾導(dǎo)致的功率誤保護(hù)解決方式通常有兩種，第一種在設(shè)計(jì)階段就充分考慮干擾的影響，采取有效的硬件防護(hù)措施；第二種在控制策略方面增加抗干擾的軟件防護(hù)措施[1～2]。本文采用第二種方式，以機(jī)載設(shè)備保護(hù)電路中廣泛使用的TP2492芯片為例，提出了一種軟件過(guò)濾措施，能夠有效消除因外部設(shè)備干擾導(dǎo)致該芯片誤保護(hù)的問(wèn)題。

1 TPS2492 芯片誤保護(hù)分析

■1.1 TPS2492 芯片工作原理

TPS2492 是一種易于使用、正極高壓、14 針的熱插拔控制器，可以安全地驅(qū)動(dòng)外部N 通道場(chǎng)效應(yīng)晶體管來(lái)控制負(fù)載電流，目前該芯片已被廣泛應(yīng)用于功率輸出電路。TPS2492 芯片管腳及外圍電路如圖1 所示。

圖1 TP2492 芯片工作原理

在 圖1 中，UVEN 為 其 使 能 端，VCC 和SENSE 兩 端接入敏感電阻RSENSE，用以檢測(cè)電路的電流，GATE 控制N 通道場(chǎng)效應(yīng)晶體管M1 的通斷。當(dāng)該芯片檢測(cè)到流過(guò)RSENSE 的電流超過(guò)設(shè)置閾值時(shí)，芯片會(huì)關(guān)閉GATE 信號(hào)，同時(shí)將FLT 管腳置低，用以上報(bào)發(fā)生短路。

■1.2 TPS2492 保護(hù)電路工作原理及誤保護(hù)分析

在保護(hù)電路中，TPS2492 芯片控制N 通道場(chǎng)效應(yīng)晶體管M1 的通斷，如圖2 所示。該電路通過(guò)TPS2492 的FLT管腳向控制芯片反饋短路信息，反饋通路中通過(guò)采集FLT管腳狀態(tài)從而識(shí)別狀態(tài)信息。

圖2 保護(hù)電路工作原理

觸發(fā)TPS2492 芯片保護(hù)機(jī)制的方式有兩種，其一為流過(guò)RSENSE 的電流超過(guò)閾值，此時(shí)芯片會(huì)給TIMER 引腳的時(shí)延電容CT 以27μA 速率充電，當(dāng)CT 兩端電壓達(dá)到4V 時(shí)，芯片將進(jìn)行短路保護(hù)，關(guān)閉GATE 信號(hào)，同時(shí)將FLT 置低，從而上報(bào)短路；當(dāng)流過(guò)RSENSE 的電流未超過(guò)閾值時(shí)，芯片使電容CT 以2.7μA 速率放電。

其二為過(guò)壓保護(hù)，當(dāng) OV 管腳的輸入電壓大于1.26V 時(shí)，芯片會(huì)將關(guān)閉GATE 信號(hào)，同時(shí)將FLT 置低，從而上報(bào)發(fā)生短路。

在機(jī)上復(fù)雜電磁環(huán)境下，芯片地信號(hào)波動(dòng)時(shí)，地信號(hào)可能導(dǎo)致OV 管腳輸入超過(guò)1.26V 的干擾電壓，從而引發(fā)芯片誤保護(hù)；另一種情況是TIMER 管腳輸入4V 的瞬間干擾電壓，同樣將導(dǎo)致芯片誤保護(hù)，因此功率輸出異常。

2 軟件濾波方法

為解決因干擾而導(dǎo)致的TP2492 芯片誤保護(hù)問(wèn)題[3～6]，本文提出了一種軟件濾波方法，通過(guò)增加輸出復(fù)位以及故障

確認(rèn)機(jī)制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾導(dǎo)致的誤保護(hù)的濾除，其主要原理為：當(dāng)MCU 采集到第一次短路保護(hù)后，故障計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值進(jìn)行+1 操作，此時(shí)先將輸出控制指令進(jìn)行復(fù)位，持續(xù)T1時(shí)間，同時(shí)TPS2492 芯片的保護(hù)狀態(tài)也被復(fù)位。T1 時(shí)間后由MCU 重新發(fā)送輸出控制指令，隨后再進(jìn)行故障狀態(tài)采集。若T2 時(shí)間內(nèi)故障計(jì)數(shù)器中數(shù)值大于等于N 次，則將故障狀態(tài)鎖定，不再重試。若T2 時(shí)間后采集故障狀態(tài)未到N 次，則將故障計(jì)數(shù)器清零，繼續(xù)正常輸出。（在此設(shè)置故障狀態(tài)采集確認(rèn)時(shí)間為T(mén)=200ms），其中T、T1、T2、N 等參數(shù)的選取，需根據(jù)實(shí)際電路中功率器件的安全工作區(qū)以及安全裕度進(jìn)行確定。

■2.1 短路存在時(shí)的故障重試機(jī)制

當(dāng)短路真實(shí)存在時(shí)，故障重試機(jī)制時(shí)序如圖3 所示。

圖3 故障重試機(jī)制（短路真實(shí)存在）

當(dāng)短路故障真實(shí)發(fā)生時(shí)：

t0～t1：t0 時(shí)刻控制芯片關(guān)斷MOS 管門(mén)極信號(hào)，F(xiàn)TL信號(hào)被置地，此時(shí)故障狀態(tài)采集芯片在經(jīng)過(guò)200ms 的電平確認(rèn)后，t1 時(shí)刻將采集到的FTL 信號(hào)低電平上報(bào)給控制芯片，控制芯片關(guān)閉輸出使能信號(hào)；

t1～t2：輸出使能信號(hào)關(guān)閉后，TP2492 芯片的短路狀態(tài)將被復(fù)位，F(xiàn)LT 信號(hào)會(huì)被重置為高電平，T1 時(shí)間后的t2時(shí)刻，控制芯片開(kāi)始重試開(kāi)通，重新輸出使能信號(hào)；

t2～t3：使能信號(hào)到達(dá)后，控制芯片輸出MOS 管門(mén)極信號(hào)，MOS 開(kāi)通，此時(shí)短路故障依舊存在，因芯片檢測(cè)到短路狀態(tài)達(dá)到200μs，隨后在t3 時(shí)刻再次關(guān)閉MOS 管門(mén)極信號(hào)；

t3～t4：t3 時(shí)刻因再次短路，F(xiàn)LT 信號(hào)被置低，經(jīng)過(guò)故障狀態(tài)采集芯片200ms 的電平確認(rèn)后，在t4 時(shí)刻將故障狀態(tài)上報(bào)給控制芯片，控制芯片再次關(guān)斷使能信號(hào)；

t4～t5：輸出使能信號(hào)關(guān)斷后，控制芯片的短路狀態(tài)將再次被復(fù)位，F(xiàn)LT 信號(hào)會(huì)被重置為高電平，T1 時(shí)間后的t5時(shí)刻，控制芯片開(kāi)始第二次重試，重新輸出使能信號(hào)；

t5～t6：t5 時(shí)刻重新輸出后，因短路故障持續(xù)存在，200μs 后的t6 時(shí)刻，MOS 管門(mén)極信號(hào)再次被關(guān)斷，F(xiàn)LT 信號(hào)再次被置低；

t6～t7：因再次短路，F(xiàn)LT 信號(hào)被置低，經(jīng)過(guò)故障狀態(tài)采集芯片200ms 的電平確認(rèn)后，在t6 時(shí)刻將故障狀態(tài)上報(bào)給控制芯片，控制芯片再次關(guān)斷使能信號(hào)；

t7 時(shí)刻關(guān)斷后，在等待T1 時(shí)間后將進(jìn)行下一次重試，每進(jìn)行一次重試，重試計(jì)數(shù)器都將加1，重試機(jī)制設(shè)置為N次，當(dāng)計(jì)數(shù)器大于等于N時(shí)，將保持短路鎖定狀態(tài)，不再重試；

若在T2 時(shí)間內(nèi)，重試計(jì)數(shù)器未累計(jì)大于等于N，則將計(jì)數(shù)器清空，待下一次檢測(cè)到短路故障時(shí)重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，T2、N 在此驗(yàn)證電路中分別設(shè)置為T(mén)2=5 秒，N=5 次。

■2.2 干擾引起短路時(shí)的故障重試機(jī)制

當(dāng)因干擾導(dǎo)致誤保護(hù)時(shí)，故障重試機(jī)制時(shí)序如圖4 所示。

圖4 故障重試機(jī)制（干擾引起短路）

當(dāng)因干擾導(dǎo)致誤保護(hù)時(shí)：

t0～t1：t0 時(shí)刻因誤動(dòng)作，控制芯片關(guān)斷MOS 管門(mén)極信號(hào)，F(xiàn)TL 信號(hào)被置地，此時(shí)故障狀態(tài)采集芯片在經(jīng)過(guò)200ms 的電平確認(rèn)后，t1 時(shí)刻將采集到的FTL 信號(hào)低電平上報(bào)給控制芯片，控制芯片關(guān)閉輸出使能信號(hào)；

t1～t2：輸出使能信號(hào)關(guān)閉后，控制芯片的短路狀態(tài)將被復(fù)位，F(xiàn)LT 信號(hào)會(huì)被重置為高電平，T1 時(shí)間后的t2 時(shí)刻，控制芯片開(kāi)始重試開(kāi)通，重新輸出使能信號(hào)；

t2～t3：使能信號(hào)到達(dá)后，控制芯片輸出MOS 管門(mén)極信號(hào)，MOS 開(kāi)通，此時(shí)因未出現(xiàn)實(shí)際短路故障，故障狀態(tài)采集芯片經(jīng)200ms 電平確認(rèn)后，上報(bào)工作正常，時(shí)刻內(nèi)功率正常輸出；

t3 以后無(wú)短路故障發(fā)生，功率正常輸出。

■2.3 相關(guān)參數(shù)的確定

輸出復(fù)位以及故障確認(rèn)機(jī)制中電路輸出斷開(kāi)持續(xù)時(shí)間為T(mén)3 ＝狀態(tài)采集芯片確認(rèn)時(shí)間200ms ＋輸出復(fù)位時(shí)間T1。為確保輸出完全復(fù)位，應(yīng)根據(jù)具體驅(qū)動(dòng)芯片使用要求進(jìn)行T1的選取，本文根據(jù)TP2492 芯片手冊(cè)，取T1 為20ms。

T3 上限時(shí)間確定：

應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用需求，在確保應(yīng)用環(huán)境安全的情況下，輸出斷路所能持續(xù)的最大時(shí)間，在此取T3=250ms。

T3 下限時(shí)間確定：

T3 的下限時(shí)間由N 通道場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率耐受決定。當(dāng)發(fā)生真實(shí)的短路故障時(shí)，控制芯片將在200μs 后切斷功率輸出，因此產(chǎn)品實(shí)際短路故障存在時(shí)間為200μs，參考晶體管器件（IRFR3710Z）手冊(cè)可知晶體管在短路故障下仍位于器件的安全工作區(qū)，且有較大余量，如圖5 所示，考慮降額使用并綜合輸出完全復(fù)位時(shí)間T1 后，得T3 的下限時(shí)間大于20ms 即可。

圖5 IRFR3710Z 安全工作區(qū)

綜上分析，確定T3 時(shí)間為220ms。

重試次數(shù) N 確定：分析可得T3*N 應(yīng)小于重試總時(shí)間T2，綜合考慮抗擾度提升、故障確認(rèn)時(shí)間以及實(shí)際滿(mǎn)足安全情況下總時(shí)間T2=5s，確定N 為5。

故障重試機(jī)制軟件流程如圖6 所示。

圖6 故障重試機(jī)制軟件流程

3 測(cè)試結(jié)果分析

基于某機(jī)載機(jī)電產(chǎn)品中的功率輸出電路，將完善后軟件濾波策略進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，在真實(shí)短路發(fā)生的保護(hù)以及干擾引起的保護(hù)兩種場(chǎng)景下進(jìn)行了多次實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，該軟件濾波策略在正常滿(mǎn)足功率輸出電路保護(hù)需求的基礎(chǔ)上，對(duì)因干擾引起的誤保護(hù)進(jìn)行了有效濾除。驗(yàn)證結(jié)果表明，該軟件濾波策略有效可靠，實(shí)用性強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)因復(fù)雜電磁環(huán)境下因干擾導(dǎo)致功率輸出電路誤保護(hù)的問(wèn)題，本文提出了一種通用的軟件濾波策略方法，在不更改硬件的情況下，可以有效剔除干擾導(dǎo)致的誤保護(hù)問(wèn)題，以TPS2492 芯片為例，進(jìn)行了實(shí)際的應(yīng)用驗(yàn)證。該方法具有通用性強(qiáng)，實(shí)用性高等優(yōu)點(diǎn)，該軟件策略的應(yīng)用，能有效提高機(jī)載機(jī)電設(shè)備功率輸出功能的可靠性，為機(jī)載機(jī)電設(shè)備高綜合化、高集成化、高可靠性的發(fā)展提供了有效支撐。