远端设备过流检测及保护装置的设计及实现

张皓然, 赵　霞, 徐年丰, 贾海航

(1.同济大学 电信学院,上海　201804; 2.上海华太数控技术有限公司,上海　225020)



远端设备过流检测及保护装置的设计及实现

张皓然1, 赵霞1, 徐年丰2, 贾海航1

(1.同济大学 电信学院,上海201804; 2.上海华太数控技术有限公司,上海225020)

摘要：数字多点系统是一种传输多制式移动通信信号和以太网信号,用于解决移动信号室内覆盖问题的设备。在数字多点系统中有数量庞大的远端设备分布在信号覆盖地的机房内,而机房内的温度、湿度等因素会导致设备的自激、氧化甚至短路问题,需要引入过流保护装置以提高远端设备的安全性。传统过流保护措施如保险丝、热敏电阻等具有维护困难、灵敏度和精度低等问题。本文在严密设计和大量实验的基础上,采用555定时器实现了一种“打嗝”型的过流保护装置,不仅很好地解决了上述问题,而且在设备过流状态下还具有很高的关断时间与导通时间比,进一步提高了过流保护装置的可靠性。经实验验证表明,设计是合理有效的。

关键词：过流保护装置; 电流检测电路; 555定时器; 单稳态电路

1概述

数字多点系统旨在改善楼宇内部移动通信质量以及对一些信号盲区的信号覆盖,系统主要由三部分组成:多信源接入单元(Multi-source Access Unit,MAU)、拓展单元(Extended Unit,EU)、远端单元(Repeater Unit,RU)。其中MAU与基站传输信号、与EU通过光纤传输数据,RU通过五类线与EU传输数据。MAU的8个光接口可以连接8个EU,而每个EU的8个电接口可以连接8个RU。多制式的移动通信信号经过MAU、EU、RU在基站和终端用户间传输[1]。数字多点系统架构如图1所示。

图1　数字多点系统架构图Fig.1　Architecture of digital multicast system

由于RU的工作环境较为恶劣,过高的温度会导致设备自激,过高的湿度会导致设备部件氧化、短路,而这些现象及过电压均会造成供电电流过大,若没有过流保护措施,会干扰整个系统的正常通信、导致通信设备部件的损坏,甚至还可能酿成火灾、危及人身安全。另外,远端设备还具有如下特点:a、安装位置分散,维护成本高;b、设备上元器件的短路耐量非常小,要求过流保护装置要具有非常快的响应速度和精度;c、为了保障链路正常通信,要求过流保护装置具有自恢复功能。

目前,常见的过流保护方案有:a、保险丝;b、电阻初级保护;c、基极驱动电路的过流保护。保险丝可分为传统保险丝和自恢复保险丝两类。传统保险丝因为具有简单经济的特点,目前应用仍然较为广泛,但是一次保护后需要更换保险丝才能恢复供电。自恢复保险丝虽然不需要反复更换,但与传统保险丝一样,选择性差且精度和可靠性差。

电阻初级保护指PTC热敏电阻保护[2]。它是由具有很大的正温度系数的半导体材料制成,正常情况下其阻值很小,当电阻体温度达到一定温度,其阻值会呈指数式增长。将其串入电流回路,当热敏电阻中电流过大时,其电能转化成的热能会使热敏电阻体温度迅速升高,从而指数式增长的阻值会使供电回路电流显著降低。当温度降低后,阻值也恢复正常,可以重复使用。受生产工艺的限制,及容易受环境温度影响,精度不高。由于是对温度进行响应,所以响应时间、恢复时间都较长,功耗有时也不能忽略。

基极驱动电路的过流保护原理图如图2电路正常工作时,负载电流IL流过电阻RS产生的压降不足以使PNP型三极管Q1导通(截止状态),比较器的输出为低电平。当负载侧电流IL增加,达到设定值,使得三极管Q1导通,经电阻R2给电容C1充电,其充电时间常数τ1=(R2∥R3)C1。当VC1所产生的偏压大于比较器反相端电压时,比较器输出高电平。通过控制开关晶体管断开供电回路。当过载现象解除后,电路自动恢复到正常工作状态。虽然该电路具有快速响应的特点,但为提高关断时间和导通时间比,需要R2阻值不宜过大且R3选择高阻值。但实际在过流状态时,VCC需要另外向R2提供电流,在最不恰当的时间增大了供电电源的输出功率。

图2　基极驱动电路过流保护原理图Fig.2　Base driving circuit of over-current protection

综上所述,远端设备RU的过流保护装置的设计和实现是非常必要和重要的。本文从提高对远端设备RU的流保护的精度和响应速度出发,以555定时器构成的单稳态电路为核心以及外围模拟电路设计了一种响应速度更快、安全性和精度更高的过流保护装置。此方案不仅具有响应速度快、精度高、自恢复的特点,而且整个控制回路与供电回路隔离,不需要VCC供电。

本文结构安排如下:第一节介绍了数字多点系统及远端设备RU过流保护的必要性和意义;目前常用的几种过流保护方案及本文的工作内容。第二节为过流保护装置的系统设计方案及重点设计内容。第三节对过流保护系统的响应速度和精度进行了验证。最后为小结,并指出系统的不足及改进之处。

2过流保护装置的系统设计

2.1过流保护工作原理

本文所示的过流保护系统分为检测电路、控制电路、执行机构3个部分,分别起到检测电路电流、控制输出脉冲宽度、关断供电回路的作用,电路如图3所示。

图3　555定时器过流保护原理图Fig.3　Over-current protection circuit based on 555 timer

图3中555定时器(MIC1555YD5)、电阻R8和电容C4组成单稳态电路[3]。当555定时器管脚4的电平低于Vs/3时,管脚3输出一个矩形脉冲,脉冲宽度为tw=1.1R8C4。48V电源经检测电阻RS和场效应管PMOS给负载RLoad供电。芯片INA200内部集成有运算放大器(G=20 V/V)和高速比较器。其中运算放大器采集电阻RS两端的电压并放大,放大后的电压经外围模拟电路处理后接入INA200的管脚3,即INA200内部比较器的输入端。假定负载电流门限值为Ith,那么当实际的负载电流大于Ith时,INA200管脚6输出高电平,三极管Q1由截止状态变为饱和导通状态。555定时器管脚4电位由5 V降为低电平,即饱和状态管压降(约为0.3 V)。555定时器管脚3输出的矩形脉冲会使三极管Q2由截止状态变为饱和导通状态,使三极管Q3由饱和导通状态变为截止状态,继而PMOS的栅源间的电压差降为0 V,从而使PMOS管截止,关断供电回路。关断时间即为矩形脉冲宽度,之后供电回路恢复正常;若过流现象不消除,则重复上述过程,即产生“打嗝”现象。

2.2检测电路

在数字多点系统中,RU为恒定功率80 W的负载,电源电压为48 V,在33 V～60 V的电源电压输出范围内RU都可以恒功率工作。根据公式P=UI可以得到对应的输出电流范围为:

(1)

一般情况下,过流保护门限定为正常值的110%-130%,门限值设定为Ith=1.1×80/33=2.7A。

检测电路(图4)由INA200芯片及外围模拟电路组成。芯片INA200内部集成有运算放大器(G=20V/V)和电压比较器各一片。其中运算放大器用来放大检测电阻Rs两端的电压。电压比较器反相端接有0.6V基准电压源,运算放大器的输出电压U2在电流达到门限值时应该大于0.6 V。在尽量不影响PMOS漏极端的输出电压和减少检测电阻功耗的情况下,根据欧姆定理和功率计算公式,取检测电阻Rs为12 mΩ。当电流达到过流门限值时:

U2=32.4mV×20=0.648V>0.6V

(3)

由(2)和(3)可知,满足设计要求。

由于比较器采用开漏输出[4](OD)的方式,为了提高带载能力,输出端需要外接上拉电阻R5。

图4　检测电路Fig.4　Detecting circuit

适当选取R3、R4和C2的值,当回路电流达到过流门限值2.7 A时,U2稳态值为0.6 V并保证其具有较小的延迟时间。

2.3控制电路

555定时器内部集有数字、模拟电路,它不仅用于信号的产生和变换,还常用于控制和检测电路中[3]。图5为555定时器实现的是一个单稳态电路。555定时器内部由SR锁存器、电压比较器以及由电阻分压器等几部分构成[5]。当TRG有触发负脉冲时,Q=0,则VO=1同时给电容充电,当电容电压达到2Vs/3时,Q=1,从而VO=0。当TRG没有触发信号时(VTRG>Vs/3),若接通电源时Q=0,则VO=1同时给电容充电,当VTRH>Vs/3时,输出VO翻转为0且保持不变;若接通电源时Q=1,则输出VO=0且保持不变。由此可见,接通电源后电路只有一种稳定状态VO=0。

图5　使用555顶死起组成的单稳态电路Fig.5　Monostable circuit based on 555 timer

由前述内容可知,当电流达到过流门限值后,555定时器接收到一个触发脉冲(负脉冲,小于Vs/3),使得管脚3输出高电平,对电容C4充电;当电容充电达到2Vs/3时,管脚3由高电平翻转为低电平,即端脚3输出一个矩形正脉冲。

设脉冲宽度为τw:

(4)

(5)

当端脚3电平变为低电平后,电容C4会通过二极管D1进行快速放电,以保证下一次输出的脉冲宽度。另外,端脚4的触发脉冲的电平低于Vs/3的时间需要小于端脚3输出的脉冲宽度[6],这是因为555定时器芯片内部的控制逻辑涉及到RS锁存器,当端脚4的触发脉冲的电平低于Vs/3的时间大于端脚3输出的脉冲宽度,会违反RS锁存器正常工作的约束条件,从而会使整个电路误动作。

在控制电路中二极管D1的作用是十分重要的,因为当电阻R8的阻值非常大时,如果不使用二极管的话,那么电容C4的放电的时间常数非常大(τ2=R8C4),导致电容在还没有充分放电的情况下,第二次过流保护动作可能就已经开始了,则电容的充电时间会缩短,即PMOS的关断时间减小,导致关断时间和导通时间比值明显变大,如图6所示。

图6　不使用二极管时管脚3的波形图Fig.6　Waveform of pin3 without the diode

2.4执行部分

执行电路如图7所示,在电路正常工作条件下,三极管Q2截止、Q3导通,电阻R11和R12为PMOS管提供稳定的电压偏置,确保PMOS管可靠导通。在Q2截止时,电源VS通过电阻R11为Q3提供基极电流。适当选择电阻阻值,使得三极管Q2、Q3导通时为饱和状态,且当Q3饱和导通时,PMOS栅极的和源极之间的压差UGS≤-4V。当管脚3输出高电平后,三极管Q2导通,Q3截止,继而PMOS关断。

图7　执行电路Fig.7　Actuating circuit

在PMOS管的漏极和地之间的续流二极管D2的其作用是消除PMOS突然关断时由感性负载产生的反向电压冲激:当PMOS管关断后,感性负载中的电流不能瞬间变化,而PMOS存在一个输出电容,与感性负载并联产生了谐振,这是极其不利的现象,如图8所示:

图8　场效应管PMOS关断时产生振荡Fig.8　Waveform of drain with PMOS power-off

为了消除这种不利的影响,使用一个续流二极管D2。当PMOS关断后,感性负载和D2形成回路,这样就不会形成负向的脉冲,也消除了振荡,实验结果如图9所示。

图9　引入续流二极管后PMOS关断时漏极的电压波形图Fig.9　Waveform of drain with freewheeling diode

3实验验证

实验验证环节使用可调电阻模拟远端设备RU的过流状态。系统由48V的电压源供电,调节电阻阻值使其逐渐减小,当电流大于2.7A时,过流保护装置开始动作,经反复验证,过流保护装置工作稳定,满足一定的精度要求,且具有较大且可调的关断时间与导通时间比,如图11所示。为了验证过流保护装置的响应速度,借助示波器的两个探头同时观测放大器输出端(蓝色)和三极管Q3基极(黄色)的电压波形,如图12所示。

图11　PMOS管漏极电压波形Fig.11　Waveform of drain of PMOS

图12　放大器输出端和三极管Q3基极的电压波形Fig.12　Waveforms of pin6 of INA200 and base of Q3

4结束语

过流保护装置是提高通信链路中远端设备RU可靠性、安全性的必要组成部分,鉴于远端设备RU上的元器件的短路耐量非常有限,所以过流保护装置的响应速度、精度和可靠性是整个设计的关键所在。本设计方案中以555定时器实现的过流保护装置具有相当的响应精度,且响应速度仅为硬件电路的时延即20 us左右。

在本设计中的执行机构选择PMOS管实现。虽然可以简化电路设计,但是其也有价格昂贵,替换种类少以及导通电阻较NMOS管大等缺点;如果选用NMOS管,则需要Vgsth>0,所以需要配以相应的自举电路[7]来实现,但是也增加了电路设计的复杂性。

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张皓然男(1991-),硕士研究生,主要研究方向为控制工程等。

赵霞女(1974-),内蒙古人,博士,主要研究方向为系统建模、辨识与估计；自适应控制算法等。

Remote Device Design and Realization of the Over-current Detection and ProtectionZHANGHaoran1,ZHAOXia1,XUNianfeng2,JIAHaihang1

(1.School of Electronics and Information Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China;

2.Shanghai Huatai Numerical Control Technology Co.,LTD,Shanghai 225020,China)

Abstract：Digital multicast system,a kind of devices that can transmit multi-standard communication signals and Ethernet signals,is used to solve the problem of indoor coverage.In multicast systems,there is a large number of remote equipment distributed among the areas where signals cover,and the temperature,humidity and other factors in equipment room can lead equipment to self-excitation,oxidation,and even short circuit problem.Under the circumstances,introducing in over-current protection device to improve the security of the remote device is urgently needed.Traditional over-current protection measures such as fuses or thermal resistors are difficult to maintain and the sensitivity and accuracy is rough.On the basis of rigorous design and a large number of experiments,a kind of "hiccups" type over-current protection device is realized by using 555 timers.This newly designed devise not only solved the deficiency of traditional measures very well,but also has a very high ratio between conduction time and close time in the condition of equipment over-flow,which further improve the reliability of overcurrent protection device.It has been verified by the experiment that the design is reasonable and effective.

Key words：overcurrent protection device; current sensing circuit; 555 timer; monostable circuit

中图分类号：TN 710

文献标识码：A