一种通用型防误保护的软件滤波方法

徐栋，罗德杰，王鹏博，闫稳

（中航工业西安航空计算技术研究所，陕西西安，710068）

0 引言

当前，由于飞机系统需求的不断丰富和完善，飞机机电系统产品也进一步综合化、集成化，但也因此使飞机机电系统电磁环境越发复杂。机上复杂电磁环境可能会带来产品中功率输出电路误保护，误输出等现象。而对于干扰导致的功率误保护解决方式通常有两种，第一种在设计阶段就充分考虑干扰的影响，采取有效的硬件防护措施；第二种在控制策略方面增加抗干扰的软件防护措施[1～2]。本文采用第二种方式，以机载设备保护电路中广泛使用的TP2492芯片为例，提出了一种软件过滤措施，能够有效消除因外部设备干扰导致该芯片误保护的问题。

1 TPS2492 芯片误保护分析

■1.1 TPS2492 芯片工作原理

TPS2492 是一种易于使用、正极高压、14 针的热插拔控制器，可以安全地驱动外部N 通道场效应晶体管来控制负载电流，目前该芯片已被广泛应用于功率输出电路。TPS2492 芯片管脚及外围电路如图1 所示。

图1 TP2492 芯片工作原理

在 图1 中，UVEN 为 其 使 能 端，VCC 和SENSE 两 端接入敏感电阻RSENSE，用以检测电路的电流，GATE 控制N 通道场效应晶体管M1 的通断。当该芯片检测到流过RSENSE 的电流超过设置阈值时，芯片会关闭GATE 信号，同时将FLT 管脚置低，用以上报发生短路。

■1.2 TPS2492 保护电路工作原理及误保护分析

在保护电路中，TPS2492 芯片控制N 通道场效应晶体管M1 的通断，如图2 所示。该电路通过TPS2492 的FLT管脚向控制芯片反馈短路信息，反馈通路中通过采集FLT管脚状态从而识别状态信息。

图2 保护电路工作原理

触发TPS2492 芯片保护机制的方式有两种，其一为流过RSENSE 的电流超过阈值，此时芯片会给TIMER 引脚的时延电容CT 以27μA 速率充电，当CT 两端电压达到4V 时，芯片将进行短路保护，关闭GATE 信号，同时将FLT 置低，从而上报短路；当流过RSENSE 的电流未超过阈值时，芯片使电容CT 以2.7μA 速率放电。

其二为过压保护，当 OV 管脚的输入电压大于1.26V 时，芯片会将关闭GATE 信号，同时将FLT 置低，从而上报发生短路。

在机上复杂电磁环境下，芯片地信号波动时，地信号可能导致OV 管脚输入超过1.26V 的干扰电压，从而引发芯片误保护；另一种情况是TIMER 管脚输入4V 的瞬间干扰电压，同样将导致芯片误保护，因此功率输出异常。

2 软件滤波方法

为解决因干扰而导致的TP2492 芯片误保护问题[3～6]，本文提出了一种软件滤波方法，通过增加输出复位以及故障

确认机制，来实现对干扰导致的误保护的滤除，其主要原理为：当MCU 采集到第一次短路保护后，故障计数器计数值进行+1 操作，此时先将输出控制指令进行复位，持续T1时间，同时TPS2492 芯片的保护状态也被复位。T1 时间后由MCU 重新发送输出控制指令，随后再进行故障状态采集。若T2 时间内故障计数器中数值大于等于N 次，则将故障状态锁定，不再重试。若T2 时间后采集故障状态未到N 次，则将故障计数器清零，继续正常输出。（在此设置故障状态采集确认时间为T=200ms），其中T、T1、T2、N 等参数的选取，需根据实际电路中功率器件的安全工作区以及安全裕度进行确定。

■2.1 短路存在时的故障重试机制

当短路真实存在时，故障重试机制时序如图3 所示。

图3 故障重试机制（短路真实存在）

当短路故障真实发生时：

t0～t1：t0 时刻控制芯片关断MOS 管门极信号，FTL信号被置地，此时故障状态采集芯片在经过200ms 的电平确认后，t1 时刻将采集到的FTL 信号低电平上报给控制芯片，控制芯片关闭输出使能信号；

t1～t2：输出使能信号关闭后，TP2492 芯片的短路状态将被复位，FLT 信号会被重置为高电平，T1 时间后的t2时刻，控制芯片开始重试开通，重新输出使能信号；

t2～t3：使能信号到达后，控制芯片输出MOS 管门极信号，MOS 开通，此时短路故障依旧存在，因芯片检测到短路状态达到200μs，随后在t3 时刻再次关闭MOS 管门极信号；

t3～t4：t3 时刻因再次短路，FLT 信号被置低，经过故障状态采集芯片200ms 的电平确认后，在t4 时刻将故障状态上报给控制芯片，控制芯片再次关断使能信号；

t4～t5：输出使能信号关断后，控制芯片的短路状态将再次被复位，FLT 信号会被重置为高电平，T1 时间后的t5时刻，控制芯片开始第二次重试，重新输出使能信号；

t5～t6：t5 时刻重新输出后，因短路故障持续存在，200μs 后的t6 时刻，MOS 管门极信号再次被关断，FLT 信号再次被置低；

t6～t7：因再次短路，FLT 信号被置低，经过故障状态采集芯片200ms 的电平确认后，在t6 时刻将故障状态上报给控制芯片，控制芯片再次关断使能信号；

t7 时刻关断后，在等待T1 时间后将进行下一次重试，每进行一次重试，重试计数器都将加1，重试机制设置为N次，当计数器大于等于N时，将保持短路锁定状态，不再重试；

若在T2 时间内，重试计数器未累计大于等于N，则将计数器清空，待下一次检测到短路故障时重新开始计数，T2、N 在此验证电路中分别设置为T2=5 秒，N=5 次。

■2.2 干扰引起短路时的故障重试机制

当因干扰导致误保护时，故障重试机制时序如图4 所示。

图4 故障重试机制（干扰引起短路）

当因干扰导致误保护时：

t0～t1：t0 时刻因误动作，控制芯片关断MOS 管门极信号，FTL 信号被置地，此时故障状态采集芯片在经过200ms 的电平确认后，t1 时刻将采集到的FTL 信号低电平上报给控制芯片，控制芯片关闭输出使能信号；

t1～t2：输出使能信号关闭后，控制芯片的短路状态将被复位，FLT 信号会被重置为高电平，T1 时间后的t2 时刻，控制芯片开始重试开通，重新输出使能信号；

t2～t3：使能信号到达后，控制芯片输出MOS 管门极信号，MOS 开通，此时因未出现实际短路故障，故障状态采集芯片经200ms 电平确认后，上报工作正常，时刻内功率正常输出；

t3 以后无短路故障发生，功率正常输出。

■2.3 相关参数的确定

输出复位以及故障确认机制中电路输出断开持续时间为T3 ＝状态采集芯片确认时间200ms ＋输出复位时间T1。为确保输出完全复位，应根据具体驱动芯片使用要求进行T1的选取，本文根据TP2492 芯片手册，取T1 为20ms。

T3 上限时间确定：

应根据具体应用需求，在确保应用环境安全的情况下，输出断路所能持续的最大时间，在此取T3=250ms。

T3 下限时间确定：

T3 的下限时间由N 通道场效应晶体管功率耐受决定。当发生真实的短路故障时，控制芯片将在200μs 后切断功率输出，因此产品实际短路故障存在时间为200μs，参考晶体管器件（IRFR3710Z）手册可知晶体管在短路故障下仍位于器件的安全工作区，且有较大余量，如图5 所示，考虑降额使用并综合输出完全复位时间T1 后，得T3 的下限时间大于20ms 即可。

图5 IRFR3710Z 安全工作区

综上分析，确定T3 时间为220ms。

重试次数 N 确定：分析可得T3*N 应小于重试总时间T2，综合考虑抗扰度提升、故障确认时间以及实际满足安全情况下总时间T2=5s，确定N 为5。

故障重试机制软件流程如图6 所示。

图6 故障重试机制软件流程

3 测试结果分析

基于某机载机电产品中的功率输出电路，将完善后软件滤波策略进行应用验证，在真实短路发生的保护以及干扰引起的保护两种场景下进行了多次实际试验验证，验证结果表明，该软件滤波策略在正常满足功率输出电路保护需求的基础上，对因干扰引起的误保护进行了有效滤除。验证结果表明，该软件滤波策略有效可靠，实用性强。

4 结语

针对因复杂电磁环境下因干扰导致功率输出电路误保护的问题，本文提出了一种通用的软件滤波策略方法，在不更改硬件的情况下，可以有效剔除干扰导致的误保护问题，以TPS2492 芯片为例，进行了实际的应用验证。该方法具有通用性强，实用性高等优点，该软件策略的应用，能有效提高机载机电设备功率输出功能的可靠性，为机载机电设备高综合化、高集成化、高可靠性的发展提供了有效支撑。