基于CPLD的智能固態(tài)轉(zhuǎn)換開關的研制

提出了一種適用于鐵路信號供電電源的智能固態(tài)轉(zhuǎn)換開關方案。以CPLD為核心，功率MOSFET作為主控器件，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換操作的無觸點切換。介紹了主電路、控制電路的硬件設計及軟件編程。實際應用表明方案可靠實用，能夠提高供電的自動化水平。

鐵路行車速度的不斷提高對鐵路信號設備和供電設備的可靠性提出了更高要求。鐵路信 號電源由貫通和自閉兩條線路供電，經(jīng)過自動轉(zhuǎn)換開關（ATS）輸出給信號燈。ATS 應具有 遠程遙分遙合、過電流保護、開關狀態(tài)指示、當?shù)厥謩拥裙δ?。目前現(xiàn)場ATS 主要有兩種 實現(xiàn)方法：1、采用斷路器、機械聯(lián)鎖裝置及控制器組合而成；2、采用具有*分合功 能的低壓電控開關[1]。國外也提出了利用可編程控制器（PLC）的實現(xiàn)方法[2]。幾種方法都 屬于有觸點控制方式，壽命較短、響應速度慢，而機械執(zhí)行機構的存在降低了可靠性。本文 提出了以CPLD 為核心的智能ATS 技術，采用半導體功率器件構成主電路實現(xiàn)無觸點控制， 同時提供多種功能選擇以適應現(xiàn)場的不同需要。

1 主電路設計

信號燈的額定供電為單相 220V/50Hz，額定工作電流5A，半導體器件可以采用雙向晶 閘管或者固態(tài)繼電器、全控型功率開關器件如MOSFET、IGBT 等。前者為半控型器件，需 要額外的關斷電路才能控制斷開，否則只能靠交流電源換向關斷，不能滿足重度過載或負載 側短路時速斷的要求，因此選用后者。

鐵路信號電源采用貫通、自閉兩條線路獨立供電，因此本文設計的兩路主電路拓撲相同， 其中一路的主電路拓撲結構[3]如圖1 所示，兩路輸出并聯(lián)連接給負載（信號燈）供電。

圖中，M1、M2 為N 溝道增強型MOS-FET，Y1、Y2 為壓敏電阻，D1-D4 和D5-D8 分別構成的整流橋電路在具體實現(xiàn)時可以直接利用整流橋BR1、BR2 代替。

通過控制 MOS 管M1、M2 的同時通斷可以控制本線路是否對負載供電。

由于自閉、貫通兩條線路獨立供電，因此正常情況下兩線路主電路MOS 控制信號應 為互補關系，而故障狀況下（如負載側短路）則兩路控制信號都應使MOS 處于關斷狀態(tài)。 根據(jù)分析結果，實際選擇整流橋 BR1、BR2 為kbpc3510，UR＝1000V，IFAV＝35A。 選用IXYS 公司的N 溝道增強型IXFH26N50，ID＝26A，UDS＝1000V，RDS(on)＝0.20Ω。

2 控制電路硬件設計

系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動切換、過流保護、過載保護、自動重合閘及本地手動操作等功能，因 此設計的控制電路結構如圖2 所示。圖中A、B 兩路代表供電的兩條線路。智能ATS 還提 供給用戶四種開關特性曲線，便于針對現(xiàn)場應用特點進行選擇。

2.1 AC/DC 隔離電源

由兩路電源（貫通和自閉）輸入，輸出五路相互隔離的電源，其中一路輸出供給CPLD 及外圍電路，另外四路供給MOS 管的驅(qū)動電路。這樣可以保證任意一條線路正常供電時， ATS 都能夠正常工作。

2.2 電壓檢測電路

通過電壓互感器檢測兩路電源電壓，判斷比較結果送給 CPLD 作為供電切換的依據(jù)。

2.3 負載電流檢測放大及判斷

利用交流電流互感器（5A／2.5mA）檢測負載電流，采樣電壓信號經(jīng)有源低通濾波放大 電路再進行判斷比較，輸出不同的過流信號送給CPLD。

2.4 MOS 管驅(qū)動及互鎖電路

CPLD 輸出的四路MOS 管控制信號經(jīng)過led/' target='_blank'>光電耦合器隔離和驅(qū)動電路去控制MOS 管的 導通和關斷。為避免各種干擾可能造成的兩路同時給負載供電的意外狀況，設計了A、B 兩 路驅(qū)動脈沖的硬件互鎖電路。

2.5 本控接口和遠控接口

本地接口主要與裝置的開關、按鈕和LED 狀態(tài)指示燈進行連接，包括方式選擇開關、 遠控／本控開關、分B 合A 按鈕、分A 合B 按鈕、本地復位按鈕、LED 指示。

遠控接口則用于接收低壓監(jiān)控系統(tǒng)的控制，同時向監(jiān)控裝置匯報包括供電狀況、工作狀 況、故障狀況等重要信息。包括控制信號：RM_EN（遠方有效信號）、RM_A（分B 合A 信 號）；RM_B（分A 合B 信號）、RM_RST（遠方復位信號）。后三個信號必須在RM_EN 有 效的情況下才起作用。

2.6 CPLD 及時鐘、硬件復位電路

CPLD 即復雜可編程邏輯器件，內(nèi)部可以集成高達幾十萬甚至上百萬門的數(shù)字邏輯電 路，在線編程功能使用戶可以靈活地改變設定的功能，同時在設計過程中通過仿真工具進行硬件仿真，便于調(diào)試[4][5]，因此CPLD 得到了廣泛的應用。時鐘電路為CPLD 提供穩(wěn)定可靠 的時鐘信號。利用MAXIM 公司的MAX705 構成的硬件WATCHDOG 電路，為系統(tǒng)上電時 提供可靠的復位信號，解決干擾可能造成的死機問題，提高系統(tǒng)工作的可靠性。

3 CPLD 的邏輯功能實現(xiàn)

3.1 CPLD 要完成的功能

1）供電的自動切換

根據(jù)不同的開關設置及信號情況，信號燈有本控主備方式、本控優(yōu)先方式、遠控方式三種工作模式，對應關系如表1 所示。

在本控主備模式下，CPLD 設定A 為主路，B 為備用。只要A 路電源正常，則由A 路供電，否則才由B 路供電，一旦A 路電源恢復正常，則自動切換到A 路供電。

在本控優(yōu)先和遠控優(yōu)先模式下，兩路優(yōu)先等級相同。假設 A 路正在工作時電源故障，則自動切換到B 路供電，但A 路電源恢復正常后并不切換到A 路供電，而由B 路繼續(xù)供電。

本控優(yōu)先模式下本地強制切換控制信號（BUTT_A、BUTT_B）作用，而遠控強制切換控制（REM_A、REM_B）和遠方復位則無效。遠控優(yōu)先模式則正好相反。

2）過流和過載保護

當負載側出現(xiàn)短路故障時立即封鎖 MOS 管驅(qū)動脈沖停止對負載供電，即短路速斷功能。當出現(xiàn)過載且持續(xù)相應時間后封鎖 MOS 管驅(qū)動脈沖，持續(xù)時間根據(jù)過載電流大小的不

同而不同。

3）故障后延時供電功能

故障停電后在恢復供電之前經(jīng)過適當延時，減少對供電電源的頻繁沖擊而影響其他信號燈的正常工作。

4）自動重投功能

故障停電延時后，自動嘗試恢復對信號燈的供電。

5）延時切換

A、B 兩路之間切換設置延時，以避免無延時可能造成的兩路電源的直接短接。

3.2 CPLD 程序設計

采用 TOP-DOWN 的設計思想和模塊化編程方法，先將總體功能劃分為五個一級模塊：

1）工作模式模塊

接收本控和遠控信號，結合當前的電源供電狀況，輸出無故障狀況下的A、B 路控制信號以及復位信號。

2）過流時間設定及計時模塊

用戶可以根據(jù)實際狀況的不同在 4 種方式中選擇合適的過流持續(xù)時間。不同的設定與常 用斷路器的不同特性曲線完全對應。當出現(xiàn)過流時，計時模塊開始工作，達到設定的時間后 模塊輸出有效過流信號，可以避免外部干擾造成的假過流停機問題。

3）停機時間設定及計時模塊

用戶可以根據(jù)實際狀況的不同在 4 種方式中選擇過流故障出現(xiàn)后停機的持續(xù)時間。當?shù)竭_設定時間時，模塊輸出可以重新合閘信號，以便恢復對信號燈的供電。

4）重合閘次數(shù)設定及計數(shù)模塊 用于用戶設定需要的過流保護后重新合閘的次數(shù)。如重合次數(shù)達到設定值則封鎖 MOS 管驅(qū)動脈沖使負載保持斷電，直到復位或裝置重新上電。

5）綜合處理模塊 處理來自以上四個模塊的信號，提供合適的 MOS 管觸發(fā)信號，控制給信號燈的供電。 每個一級模塊利用幾個二級模塊組合實現(xiàn)，同時軟件設計利用狀態(tài)機（State Machine） 作為中間變量，加入冗余處理技術，提高邏輯的可靠性和抗干擾能力，保證信號燈供電的連 續(xù)性，避免不必要的兩路之間的切換。

3.3 邏輯綜合、仿真

在 MAX+PLUSII[6]編程環(huán)境下，采用了圖形輸入和AHDL 語言編程相結合的方式，經(jīng) 過實際編譯、功能仿真、定時仿真及不斷的優(yōu)化過程，最終選擇了Altera 公司MAX7000S 系列的EPM7128S-15。仿真結果如圖3 所示。

圖中，下述信號高電平有效。OCH 為負載側短路