基于ARM 的一種低壓直流智能功率控制器設計

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

傳統的航空供配電系統設計中，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功能且傳統的配電器使用硬線指令信號進行配電控制，導致配套電纜數量較多[1]，布局復雜。近年來，隨著航空航天技術的迅速發展各種飛機都朝著全電/多電化發展，機載用電設備越來越多[2～3]。機載設備對飛機電氣系統的依賴不斷增強，電氣系統的保護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，固態功率控制器（SolidState Power Controller，SSPC）作為一種機載智能配電設備具有明顯的優勢[4]。SSPC 是集斷路器的線路保護功能和固態繼電器可靠性于一體的智能開關裝置[5～6]，以功率MOSFET 作為開關器件，具有開關速度快、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]，將會是未來機載設備實現自動配電的一種核心器件，所以智能配電系統將會是今后機載電源發展的一個重要方向。本文設計了一種具有通信、保護功能的低壓直流SSPC。

1 系統整體結構

本文設計的低壓直流功率控制選用抗干擾強、環溫高的32 位單片機ARM 芯片作為主要控制單元，其內置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，實現電流值的采集和邏輯控制，根據功能將系統控制器內部劃分為電源單元、隔離單元、通信控制單元、電流檢測和保護單元四部分。電源單元以DC/DC 轉換和LDO 降壓實現電源變換，為智能控制器內部其他單元提供穩定的工作電壓，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急控制電路和串口隔離收發器構成，實現與外部設備通信、應急控制功能，根據外部設備的指令實現智能功率控制器接通、關斷功能；隔離單元實現控制端3.3V 電路和負載28V 功率端的隔離，保證控制端不受功率端的干擾；電流檢測和保護單元主要實現功率端實時電流的采集以及電流到達保護點時執行過流保護。整體系統原理框圖如圖1 所示。

圖1 系統原理框圖

2 硬件設計

■2.1 電源單元電路設計

功率控制器內部有功率負載輸入電源、驅動芯片供電電源、控制電路供電電源三路，三路電源之間隔離且驅動芯片供電電源和控制電路供電電源由功率負載輸入電源28V 轉換所得，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、過壓的保護功能，可以滿足內部驅動芯片電源需求；控制電路部分供電為3.3V，為了防止12V 直接轉換成3.3V 降壓太大、造成內部熱量增高，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 通信單元電路設計

本設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換芯片組成。一方面外部設備可以通過RS422 方式實現對功率控制器的接通、關斷控制；另一方面外部設備可以通過RS422 通信方式獲取當前控制狀態及負載回路電流值。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1500m，同時為保證傳輸質量，常用的匹配方法如圖3 所示，本設計采用的第(1)種。

圖3 RS422 電阻匹配方法

■2.3 隔離單元電路設計

在航空配電系統中，負載端的接通和關斷經常產生浪涌信號，浪涌信號會導致輸入電波形塌陷，使供電質量變差，進而影響其他電路，為了防止負載端浪涌信號對控制端電路造成影響，本設計選用光耦器件進行隔離，因為光耦是電氣安規元器件，具有阻止高電壓以及電壓瞬變發的功能，使系統某一部分的浪涌不會干擾或其他部分。本設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 負載過流保護電路設計

負載電流采集電路由電流采集和過流保護組成，本設計的電流采集通過選取可靠性高的電流傳感器實現，由于傳感器需要擁有絕對的靈敏度，設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。本設計采用單片機的ADC 管腳直接采集Vout和V零來計算當前輸入電流值，數據處理時，先校準零點電流值的保證當前電流值的準確度。除此之外由電流傳感器芯片的FAULT 管腳在傳感器到達滿量程時，FAULT 管腳自動輸出低電平，經光耦轉換后供單片機讀取，若光耦4管腳為低電平，說明此時負載回路未發生過流現象，若光耦4 管腳檢測到高電平，說明此時負載回路電流到達傳感器芯片的滿量程25A，單片機依據采集的電流值及FAULT 管腳輸出執行關斷指令，實現功率回路的過流保護。原理框圖如圖5 所示。

圖5 過流保護電路原理框圖

3 軟件設計

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

圖6 軟件程序設計原理框圖

■3.1 軟件上電初始化設計

根據框圖6所示，處理器上電后，內部先對時鐘、IO端口、串口、ADC 初始化配置如圖7 所示。

圖7 初始化程序設計

■3.2 軟件邏輯控制設計

根據框圖7 所示，處理器初始化完成后，分有兩個任務，第一個任務是實現接收上位機的串口指令執行通斷指令、IO 高低；第二個任務ADC 采集當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，如圖8 所示。

圖8 邏輯程序設計

■3.3 軟件數據處理設計

本設計中涉及的數據處理，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據，將處理后的電流值作為邏輯程序中的判斷依據。

4 實驗結果

本設計中，通過檢測光耦的高低電平判斷功率回路是否觸發保護點，若檢測到高電平且存續一定時間，此時鎖定當前狀態，關斷MOSFET 切斷功率電，實現點保護。

5 結束語

本文結合從事的工作，設計了一種28V/15A 低壓直流功率控制器，實現了15A 額定帶載接通關斷功能，串口通信和25A 過流保護功能，經過原理樣機試驗，能夠滿足最初設計參數，該設計切實可行。