一種負(fù)荷閾值可配置的電源保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)、MC9S12DT128的負(fù)荷閾值可配置電源保護(hù)裝置的軟、硬件設(shè)計(jì)方案。該方案采用TI公司的高側(cè)測(cè)量電流并聯(lián)監(jiān)視器INA168采集電流信息，信號(hào)經(jīng)調(diào)理后，與DAC8554輸出的電壓進(jìn)行比較，通過(guò)比較結(jié)果控制電流回路通斷。DAC8554輸出電壓可配置，過(guò)流鎖定后可程控接觸鎖定。裝置可配置且便于操作，可廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的測(cè)試系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：過(guò)流保護(hù)；工業(yè)以太網(wǎng)；電源保護(hù)；自動(dòng)保護(hù)

隨著集成電路工藝的不斷發(fā)展，如今集成電路已從數(shù)千門發(fā)展到現(xiàn)在的百萬(wàn)門、千萬(wàn)門級(jí)的水平，多層電路板、表面安裝器件、多芯片模塊等組裝工藝的應(yīng)用使得電路組裝形式更趨微型化。隨著芯片集成度和布線密度的不斷提高，電路板上發(fā)生短路、短路等互聯(lián)故障的可能性大大增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，互聯(lián)故障已占整個(gè)電路板故障的半數(shù)以上。因此在電子設(shè)備的生產(chǎn)和維護(hù)階段，電路板測(cè)試成為了非常重要的環(huán)節(jié)。
而在測(cè)試階段，為了保證不對(duì)產(chǎn)品造成傷害，合理的保護(hù)電路就顯得尤為關(guān)鍵。而在測(cè)試系統(tǒng)中，針對(duì)不同供電的板卡，不同功耗的板卡，保護(hù)閾值是隨著板卡的不同而變化的，這就要求保護(hù)電路在閾值配置方面實(shí)現(xiàn)智能化。開關(guān)電源保護(hù)方法有多種，大多都是過(guò)流閾值固定的，或是新型的用于低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的過(guò)流保護(hù)方法，或是通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。文中提出了一種有效的負(fù)荷可配置的、可程控解除過(guò)流鎖定的電源保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方法。

1 設(shè)計(jì)背景
在測(cè)試工裝系統(tǒng)中，對(duì)待測(cè)板卡(UUT)上電是必要的，隨之，加入過(guò)流保護(hù)裝置保護(hù)待測(cè)對(duì)象不被燒毀也是必要的。而在兼容測(cè)試多種UUT的系統(tǒng)中，對(duì)于不同的待測(cè)對(duì)象(UUT，unit under test)，供電電壓不同，輸入電流不同，這就對(duì)過(guò)流保護(hù)裝置的閾值提出了智能化可配置的要求。

根據(jù)以上要求，我們采用比較的方式設(shè)定不同的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的過(guò)流閾值，進(jìn)而控制回路的通斷。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 信號(hào)采集與儀表放大
待測(cè)對(duì)象供電電壓范圍在5～48 V，電流采樣部分本設(shè)計(jì)采用了TI公司的，INA168(高側(cè)測(cè)量電流并聯(lián)監(jiān)視器)，此芯片為電流輸出，需通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，INA168的基本電路與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

可見，輸出電壓與回路電流Is、采樣電阻RS及RL有關(guān)，具體關(guān)系如下：
VD=ISRSRI／5 kΩ
本設(shè)計(jì)中，RS選用0．18 Ω，1％，最大功耗1 W，YAGEO品牌的封裝2512的電阻作為采樣電阻(shunt)，待測(cè)回路電流最大為2 A，但還不足以確定RL的值，還需根據(jù)比較電壓范圍來(lái)確定參數(shù)VO的范圍。
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3 可配置閾值輸出
電壓比較部分是將INA168輸出的電壓VO與某一個(gè)閾值電壓做比較，輸出一個(gè)或高或低的電壓，進(jìn)而控制MOS管的通斷。而實(shí)現(xiàn)此閾值的智能可配置也就實(shí)現(xiàn)了過(guò)流保護(hù)裝置的可配置。問(wèn)題轉(zhuǎn)變成了可調(diào)直流電壓的輸出。此電壓不需大的輸出電流對(duì)驅(qū)動(dòng)能力沒有要求，只做為比較器的輸入，因此，我們可以用DA來(lái)實(shí)現(xiàn)此閾值電壓的輸出。DAC選用TI公司的DAC8554，4通道，SPI接口，16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。5 V供電，電壓參考芯片采用Intersil的ISL21009BFB825Z，提供2．5 V的參考電壓。電壓參考部分電路如圖3所示。

選定了電壓參考為2．5 V，那么就可斷定，電壓閾值的范圍就應(yīng)在0～2．5 V，那么VO的輸出也應(yīng)控制在2．5 V以內(nèi)，因此本設(shè)計(jì)將RL選定為34．8 KΩ。控制DAC8554的單片機(jī)選用飛思卡爾的MC9S12DT128，接口電路如圖4所示。

MC9S12DT128的PH口的PH1-PH3口用做SPI功能。[!--empirenews.page--]

4 電壓比較與MoS管控制
電壓比較部分本設(shè)計(jì)選用了TI公司的LM293，電壓比較電路與MOS管控制電路如圖5所示。
圖中比較器同向輸人端連接INA168輸出的電流采樣電壓VO；反向輸入端連接DAC8554輸出的配置好的閾值電壓VAOUT。
若VO<VAOUT，即，電流采樣電壓在閾值范圍之內(nèi)，比較器輸出近似0 V，通過(guò)反向施密特觸發(fā)器74HC14DR，輸出高電平，光耦關(guān)斷，PNP三極管導(dǎo)通，MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)；若VO>VAOUT，電流采樣電壓超出閾值范圍，比較器輸出為+5 V，經(jīng)過(guò)反向施密特觸發(fā)器，輸出低電平，光耦導(dǎo)通，PNP三極管關(guān)斷，MOS管也處于關(guān)斷狀態(tài)。由此實(shí)現(xiàn)了過(guò)流保護(hù)的目的。而VAOUT是由DAC8554輸出，可自由調(diào)控，也就實(shí)現(xiàn)了可配置過(guò)流閾值的目的。

5 自鎖電路
回路過(guò)流后，MOS管自動(dòng)關(guān)斷，回路瞬間處于無(wú)電流狀態(tài)，INA168采集到的信號(hào)為無(wú)電流狀態(tài)，MOS管在關(guān)斷后會(huì)跳變回導(dǎo)通狀態(tài)，因此本設(shè)計(jì)需要一個(gè)自鎖電路，在保證MOSFET關(guān)斷后不會(huì)重新打開。
實(shí)現(xiàn)方法如圖6所示。

圖中，用一個(gè)開關(guān)J2代替了MOSFET來(lái)做仿真，J1為一個(gè)自鎖電路的開關(guān)，J1閉合，即J1電平為低時(shí)，自鎖電路工作。比較器LM293輸出的為高電平時(shí)，閉合J1，即置J1為低電平，自鎖電路開始工作，J2一旦斷開，即比較器輸出為低電平，只要一直保持閉合狀態(tài)，即使J2閉合，比較器輸出也為低，這樣就能保證過(guò)流的回路切斷后，在沒有電流的狀態(tài)也能保證NOSFET一直處于關(guān)斷的狀態(tài)。
電路自鎖后，可通過(guò)J1來(lái)接觸自鎖，將J1斷開，即置J1為高電平，可接觸自鎖。在回路有電流通過(guò)時(shí)閉合J1，即置J1低電平，電路將處于初始化狀態(tài)。這里，J1可用一路DO信號(hào)代替，程控自鎖電路的開關(guān)。
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6 固件實(shí)現(xiàn)
本裝置固件方面主要實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)的通信，對(duì)上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，來(lái)控制可配置閾值的設(shè)定和過(guò)流自鎖開關(guān)DO的狀態(tài)。
工業(yè)以太網(wǎng)接口通用，支持遠(yuǎn)距離傳輸，傳輸速率高且可靠，在多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)中被采用。考慮到以上特點(diǎn)，采用了百兆工業(yè)以太網(wǎng)，TCP／IP協(xié)議。這樣，此裝置也可應(yīng)用到DCS等工業(yè)場(chǎng)合。
固件總體流程圖如圖7所示。

可配置過(guò)流保護(hù)裝置固件設(shè)計(jì)包括2個(gè)模塊，初始化模塊和周期運(yùn)行模塊。
初始化模塊完成板卡上電后各部分的初始配置，如圖8所示。
其中以太網(wǎng)初始化部分，本設(shè)計(jì)與上位機(jī)通訊采用的ETH總線網(wǎng)絡(luò)使用的是MCU內(nèi)部集成的MAC和PHY，在板卡初始化階段需要對(duì)這兩部分進(jìn)行初始化配置使其滿足ETH網(wǎng)絡(luò)工作要求。
周期模塊完成板卡周期運(yùn)行的一系列功能，模塊結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

ETH下行數(shù)據(jù)接收采用周期查詢兩個(gè)接收緩沖區(qū)的方式，當(dāng)查詢新收到ETH下行數(shù)據(jù)幀，則把網(wǎng)絡(luò)接收緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)復(fù)制到本地存儲(chǔ)區(qū)ramrxdata并返回接收長(zhǎng)度。
解析收到的ETH下行數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)包的目的MAC、數(shù)據(jù)包類型及應(yīng)用數(shù)據(jù)的LRC校驗(yàn)是否有誤，數(shù)據(jù)有誤則丟棄數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)正確則進(jìn)行數(shù)據(jù)功能解析，根據(jù)功能碼對(duì)繼電器執(zhí)行相應(yīng)的操作并對(duì)ETH下行數(shù)據(jù)組包，功能碼錯(cuò)誤也丟棄數(shù)據(jù)包。
將需要發(fā)送到ETH總線上的數(shù)據(jù)復(fù)制到網(wǎng)絡(luò)發(fā)送緩沖區(qū)并等待網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)發(fā)送，因上位機(jī)需求，同一數(shù)據(jù)包連續(xù)發(fā)送多次。

7 結(jié)論
市場(chǎng)上現(xiàn)有的電源保護(hù)裝置，保護(hù)闞值都是不可配置的，而且大多的保護(hù)裝置在過(guò)流保護(hù)后不可程控其解除鎖定，需重啟裝置才能繼續(xù)工作。文中提出了一種可配置閾值的過(guò)流保護(hù)裝置，過(guò)流鎖定后可通過(guò)程序控制接觸鎖定，不需要人為重啟裝置。本裝置為自動(dòng)功能測(cè)試站而設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的測(cè)試對(duì)象，設(shè)定不同的過(guò)流閾值，能更好的保護(hù)產(chǎn)品在測(cè)試環(huán)節(jié)不會(huì)受到損壞，節(jié)省生產(chǎn)成本。另一方面，電源保護(hù)裝置集成在自動(dòng)功能測(cè)試站中，此裝置在過(guò)流鎖定后可通過(guò)上位機(jī)解除鎖定，不必人為去測(cè)試站機(jī)柜中重啟保護(hù)裝置來(lái)解除鎖定。操作方便，易實(shí)現(xiàn)。