多路功率开关控制驱动单元设计与实现

文/秦梅

多通道功率开关器件在电力电子设备中占据着核心位置，随着高新技术的发展，功率开关应用领域也越来越广泛，逐步朝着高频化、小型化、高可靠性方向发展趋势，它的可靠性工作是保证整个系统正常运行的基本条件，功率开关的驱动是主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装备的重要部件。它对整个设备的性能有很大的影响，其作用是将控制回路输出控制脉冲信号放大到足以驱动功率开关。本设计采用合理化硬件电路布局，实现多大16通道的独立功率开关控制，具有体积小、驱动电路简单、效率高、稳定性好、工作安全的特点，具有通过控制继电器的开关与闭合实现对大电流电信号的通断控制的功能。本设计有16个通道，各通道相互独立，可以实现最大开关电流能达2A，最大开关电压达220V DC/250V AC。

1 系统分析

本方案中，实现16通道的独立控制，16通道2A大电流集成在一小块控制板上，保证电路的安全工作显得尤为关键。在布局安排上，将继电器全部放在靠近面板的一端，并尽可能的减小控制部分的布局面积，为继电器部分留下尽可能多的空间，使得各通道之间的距离尽可能大一些，减小相互间的串扰，也方便了继电器电路的布线布局。驱动通过继电器控制输出，也就是用弱电控制强电，强电强到什么程度呢，就是输出的参数（如220V，2A），为了实现高效安全控制，在电压比较高，电流比较大，要注意人身安全时，则选用继电器驱动。

图1：系统架构图

2 系统架构图

功能指标分析及设计原理：根据本项目实现的功能要求，设计方案原理如图1所示。主要分为PCΙ桥、FPGA控制、驱动电路、继电器电路四大部分。本设计中控制电路比较简单，因此需要用到的FPGA逻辑资源较少，FPGA直接选用Xilinx公司的Spartan-3系列芯片XC3S200-4FT256C。驱动器采用三极管实现。继电器选用ΙM03TS。

3 硬件设计与实现

3.1 PCI桥电路

这一部分电路采用PCΙ9054实现，PCΙ9054是PCΙ接口专用主从器件，包括通信、网络、磁盘控制、多媒体等高性能接口功能。PCΙ9054可以以多种方式实现从PCΙ总线端到局部总线端的数据转移，如直接传输，DMA控制传输等。PCΙ总线和局部总线之间以6个可编程FΙFΟ连接，可实现突发并行传输。通过串行EEPRΟM或PCΙ主控设备对PCΙ9054内部的配置寄存器进行设置。通过配置EEPRΟM和引脚，设置PCΙ9054作为PCΙ总线的从设备，工作数据、地址总线复用模式下。

3.2 FPGA设计

本设计中，使用一片FPGA芯片作为模块的控制芯片，负责9054接口芯片本地端时序的译码和控制各通道的开关等，其综合指标满足设计要求。

3.3 继电器电路

图2：继电器

考虑到本设计中要求通过16通道2A电流，结合安装尺寸方面的考虑，本设计中选用ΙM03TS继电器。

图2为继电器原理示意图。本项目16通道采用16个继电器分别控制。为了防止输入信号不稳定，因而有必要在控制信号输入端接一个滤波电容。继电器接通后再断开，线圈的电感效应会在回路中产生反向的电流，阻止正向电流迅速减小到0，这就可能导致继电器簧片要经过多次振动后才最终断开，这不仅会影响继电器使用寿命，严重的可能会产生很多次误操作。因此，在控制信号输入端与地之间（也就是继电器8、1两引脚之间）接了一个反向保护二极管，这样，当继电器断开产生反向电流时，反向电流能迅速流过二极管，从而避免了上述情况的发生。

3.4 驱动电路

FPGA产生的控制继电器通断的信号驱动能力有限，不能直接驱动继电器正常工作。因此，本设计中先把信号经过3.3V转5V的电平转换电路转化为5V TTL电平，用SN74ALVC164245芯片实现。当FPGA输出高电平时，三极管导通，继电器闭合；当FPGA输出为低电平时或者三极管前段出现异常（比如开路，断电等）三极管都截止，继电器断开。

3.5 电源管理

本方案中需要用到的有1.2V、2.5V、3.3V、5V电源。其中+3.3V、+5V、+12V电源由PXΙ模块背板提供，不过这些电源都不能直接用，需要先进行滤波处理。

对于PXΙ总线3.3V和5V电源，PXΙ规范规定至少应能提供2A的电流，经计算，本设计的3.3V和5V电源的功耗远小于PXΙ背板可提供的功率。每个继电器的额定工作电流为28mA，小于PXΙ背板至少能提供的2A的电流，因而也满足PXΙ模块的电源管理规范。

4 软件设计

软件设计包括驱动程序设计和仪器软面板设计，驱动程序提供硬件操作函数接口及其实现，用户可以利用驱动程序提供的接口定义及其库文件进行二次开发。仪器软面程序提供给用户已友好的人机界面，人机界面的操作控件对应有一个回调函数，用以实现用户需要的功能。

驱动程序提供通用函数接口和功能函数接口，通用函数接口提供模块连接、初始化、复位、关闭等功能；而功能函数则提供对模块硬件的操作函数接口，实现用户需要的功能函数。

5 结构设计

结构设计符合PXΙ规范。本方案中最高的器件是继电器，它的高度是6mm＜20mm，满足PXΙ单槽标准。此外，由于本案中大电流信号的源端是外部的线缆端，从安全角度考虑，面板上安装插针，外部线缆端接插孔。

6 结束语

仪器软面板提供给用户友好的界面，同时也是驱动程序的应用开发，用户进行二次开发时可以参照软面板程序设计。所以在设计时，需要把握两点：软面板程序设计尽量做到对驱动程序的充分验证；软面板程序设计尽量做到简洁易懂，在关键位置添加适当注释，便于用户参照。

16通道2A大电流分布在这么小的一块板上，如何保证电路的安全工作显得尤为关键。本方案中，在布局安排上，将继电器全部放在靠近面板的一端，并尽可能的减小控制部分的布局面积，为继电器部分留下尽可能多的空间，使得各通道之间的距离尽可能大一些，减小相互间的串扰，也方便了继电器电路的布线布局。