基于CPLD控制的直流固態(tài)功率控制器的設(shè)計

SSPC(固態(tài)功率控制器)是由半導(dǎo)體器件構(gòu)成的智能開關(guān)裝置，用于接通／斷開電路，實現(xiàn)電路保護和接收上級計算機的控制信號并向上位機實時反饋其狀態(tài)信息。由于控制邏輯完全由CPLD內(nèi)部的硬件電路完成，因此與功率器件一起工作時，具有很好的電磁兼容性和抗干擾能力。研制多開關(guān)的SSPC組共享大規(guī)模控制芯片，具有相當大的工程實用價值，尤其適用于空間有限的場合，如飛機上。

本文充分利用CPLD的特點，設(shè)計了具有集成度高、速度快、抗干擾能力強和可靠性高等優(yōu)點的28V直流SSPC。在一塊電路板上集成多個SSPC，各個功率開關(guān)問相互獨立工作，進一步提高了功率密度。

1 功能定義

28V直流SSPC應(yīng)該具有以下功能：

(1) 接收上位機的控制信號。該控制信號能夠兼容TTL／CMOS電平，且高電平表示導(dǎo)通，低電平表示關(guān)斷；

(2) 根據(jù)流過的SSPC的電流邏輯分析出自身的狀態(tài)，并根據(jù)表1中的代碼表示上傳給上位機；

(3) SSPC能夠?qū)崟r診斷自身故障，并根據(jù)故障的嚴重程度不同，采取不同的保護措施。

2 總體方案設(shè)計

28V直流SSPC組的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

每路SSPC的取樣電阻上的電壓經(jīng)過調(diào)理電路和低通濾波以后，送到4通道的A／D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，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的動作命令輸出口線、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，可以方便地測試系統(tǒng)內(nèi)部測試器件之間的連接和檢驗器件的操作。

由CPLD組成的邏輯判斷電路的主要功能有：

(1) 將A／D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)通過邏輯判斷，綜合出SSPC的工作狀態(tài)并向上位機輸出；

(2) 接收上位機的控制命令，結(jié)合自身的工作狀態(tài)，綜合得出SSPC的通斷信號，控制MOSFET的開通和關(guān)斷。

3 硬件設(shè)計

(1) 關(guān)鍵器件選型

電力MOSFET選用IR公司的IRF540N，它的漏-源最大耐壓為IOOV，導(dǎo)通阻抗44mΩ，允許通過的最大電流33A。其最大優(yōu)點為納秒級的開通和關(guān)斷時間，能夠完全滿足設(shè)計需要。

邏輯控制芯片采用ALTERA公司的flex6000系列。該系列采用的OptiFLEX結(jié)構(gòu)增加了器件的有效面積，可用門的數(shù)目達8 000～24 000門，觸發(fā)器豐富且基于LUT(查找表)結(jié)構(gòu)，能夠滿足系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的需要。其待機狀態(tài)的電流小于1mA的低功耗模式，具有強功能的I／O引腳和靈活的內(nèi)部連接等優(yōu)點，從而使其成為設(shè)計首選。

(2) 硬件電路的組成

①電力MOSFET驅(qū)動和保護電路[3]：采用專門的驅(qū)動芯片TC4427，12V供電，如圖2所示。為了抑制電壓和電流的瞬變，MOSFET保護電路采用RCD吸收電路，用以減小器件的開關(guān)損耗。

②取樣電路：利用取樣電阻(一般選用康銅絲)，將流過負載的電流信號轉(zhuǎn)化成可測的電壓信號，經(jīng)過隔離放大器、整流電路、濾波電路、采樣保持器和A／D轉(zhuǎn)換電路，將數(shù)字信號傳送到CPLD進行邏輯分析。

③信號采集和調(diào)理電路：通過隔離放大器，將取樣電阻的電壓調(diào)節(jié)到A／D轉(zhuǎn)換器的允許范圍內(nèi)，經(jīng)過R-C低通濾波器濾除噪聲信號后，送到A／D轉(zhuǎn)換器的輸入端。

④A／D轉(zhuǎn)換電路：采用12位的四通道A／D轉(zhuǎn)換器AD7864，與CPLD的接口主要有：a．數(shù)據(jù)輸出線：與CPLD的I／O口相連；b．控制線：轉(zhuǎn)換啟動信號(CONVST)、片選信號(CS)、通道選擇信號(H／S SEL和SL1～SL4)以及讀寫控制信號(RD／WR)等；c．狀態(tài)線：BUSY信號和轉(zhuǎn)換結(jié)束標志(EOC)等。

⑤隔離電路：CPLD為3V I／O供電和2.5V內(nèi)核供電，因此采集的SSPC狀態(tài)信號和接收的電力MOSFET控制信號都需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換及電氣隔離，但實際上要采用光耦隔離的方式進行。因為MOSFET的控制信號需要較大的驅(qū)動電流，如果直接從CPLD輸出來驅(qū)動，會因CPLD電流太小而無法驅(qū)動，所以實際中采用六通道反相器74LF04來做光耦前一級的驅(qū)動；接收上位機輸出的控制信號是從光耦輸出來的，其電流一般不大(Ie5mA)，所以可以直接接在CPLD的I／O口上。

4 軟件功能設(shè)計

(1) 控制AD7864的動作，從數(shù)據(jù)口讀出轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

運用狀態(tài)機的設(shè)計方法，AD7864的動作可大致分為3個步驟區(qū)間，每個步驟對應(yīng)一個狀態(tài)，每個狀態(tài)賦予CPLD特定的功能。

①在步驟S0(CS=1、WR=1、RD=1)時，A／D轉(zhuǎn)換之中；

②在步驟S1(CS=0、WR=1、RD=1)時，監(jiān)控EOC信號是否由高電平變?yōu)榈碗娖剑?BR>A／D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；

③在步驟S2(CS=0、WR=1、RD=0)時，從DB0～DB11讀取轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

軟件流程如圖3所示。

(2) 對采集的數(shù)據(jù)進行分析。

數(shù)據(jù)分析流程如圖4所示。

①當電流在額定范圍內(nèi)時，SSPC正常工作；

②當電流大于額定電流，而小于額定電流的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。

下面介紹SSPC的反時限保護階段的算法推導(dǎo)。

反時限保護曲線的通用表達式為：

式中：t為以秒為單位的動作時間；k為時間系數(shù)(整定值)；I為測量的電流；Iopr為電流動作定值。反時限保護曲線的陡度，由α、β共同決定。

將上式化為kβ=「(I／Iopr)α-1」t，

離散模型為：

采樣周期△t=20/N(ms)為常數(shù)(N為每周期內(nèi)采樣點數(shù))，M為使等式成立時累加的采樣周期數(shù)；當電流I大于反時限啟動電流Iopr時，即I／Iopr大于1時，在每個采樣周期中斷中將此周期的「(I／Iopr)α-1 」累加，當累加值大于kβ／△t時，反時限累計延時到，保護跳閘。

用VHDL語言實現(xiàn)的反時限保護算法流程如圖5所示。

(3) SSPC將內(nèi)部采集到的電流信號、接收到的控制命令和內(nèi)部狀態(tài)(包括系統(tǒng)啟動的狀態(tài)、電流在不同的范圍內(nèi)變化、跳閘的條件和從跳閘恢復(fù)到正常的條件以及故障切除和未切除時的系統(tǒng)啟動等)經(jīng)過邏輯判斷后，綜合出MOSFET的導(dǎo)通／關(guān)斷指令，作為驅(qū)動電路的輸入信號。

軟件流程如圖6所示。

5 試驗結(jié)果

該仿真是在ALTERA系列CPLD的開發(fā)環(huán)境MAX+PLUS II上進行的。當在不同的電流值下采集到的四路SSPC負載電流為不同值時，SSPC的工作情況也不一樣。

(1) 當I／Iopr8時，SSPC立即跳閘。

(2) 當I／Iopr為1.2(SSPC_1)、2(SSPC_2)、由1.2增加到2(SSPC_3)和5(SSPC_4)時，SSPC的跳閘時間分別為402ms、161ms、223ms和26ms。

各個臨界點的實驗所得數(shù)據(jù)經(jīng)過曲線擬和，得到如圖7所示結(jié)果。

試驗結(jié)果表明，利用CPLD進行SSPC的開發(fā)設(shè)計，其延遲時間完全可以通過編程控制，且各路SSPC之間干擾較少。

CPLD內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)良好的抗干擾性和高可靠性，非常適合于電力系統(tǒng)方面的控制。因此，采用CPLD應(yīng)是一個研究方向。