西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院 陳再春，謝拴勤

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(yán)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．?dāng)?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(R