基于ARM 的一种低压直流智能功率控制器设计

何爱芹，刘西安，杨张林，杨圣敏，刘传

（贵州振华群英电器有限公司（国营第八九一厂），贵州贵阳，550018）

0 引言

传统的航空供配电系统设计中，常选用可靠性较高的继电器作为功率控制器件，由于继电器不具备保护功能且传统的配电器使用硬线指令信号进行配电控制，导致配套电缆数量较多[1]，布局复杂。近年来，随着航空航天技术的迅速发展各种飞机都朝着全电/多电化发展，机载用电设备越来越多[2～3]。机载设备对飞机电气系统的依赖不断增强，电气系统的保护器件对于保障飞机供电的可靠性和飞行安全起着越来越重要的作用，固态功率控制器（SolidState Power Controller，SSPC）作为一种机载智能配电设备具有明显的优势[4]。SSPC 是集断路器的线路保护功能和固态继电器可靠性于一体的智能开关装置[5～6]，以功率MOSFET 作为开关器件，具有开关速度快、无触点、无电弧、电磁干扰小、可靠性高和便于计算机控制的特点[7]，将会是未来机载设备实现自动配电的一种核心器件，所以智能配电系统将会是今后机载电源发展的一个重要方向。本文设计了一种具有通信、保护功能的低压直流SSPC。

1 系统整体结构

本文设计的低压直流功率控制选用抗干扰强、环温高的32 位单片机ARM 芯片作为主要控制单元，其内置CAN 总线接口、I2C 接口、UART 总线接口、16 位的ADC 采集端口、可作为普通IO 端口22 个，实现电流值的采集和逻辑控制，根据功能将系统控制器内部划分为电源单元、隔离单元、通信控制单元、电流检测和保护单元四部分。电源单元以DC/DC 转换和LDO 降压实现电源变换，为智能控制器内部其他单元提供稳定的工作电压，满足各单元元器件的工作电压要求；通信控制单元主要由单片机及其外部应急控制电路和串口隔离收发器构成，实现与外部设备通信、应急控制功能，根据外部设备的指令实现智能功率控制器接通、关断功能；隔离单元实现控制端3.3V 电路和负载28V 功率端的隔离，保证控制端不受功率端的干扰；电流检测和保护单元主要实现功率端实时电流的采集以及电流到达保护点时执行过流保护。整体系统原理框图如图1 所示。

图1 系统原理框图

2 硬件设计

■2.1 电源单元电路设计

功率控制器内部有功率负载输入电源、驱动芯片供电电源、控制电路供电电源三路，三路电源之间隔离且驱动芯片供电电源和控制电路供电电源由功率负载输入电源28V 转换所得，电源单元原理框图如图2 所示。选用单通道的隔离DC/DC 电源模块作为一级电源模块，该电源模块输出功率为6W，输入电压为宽压输入(18～36)V，直流稳压输出12V，满载效率为85%以上、具有输出短路、过流、过压的保护功能，可以满足内部驱动芯片电源需求；控制电路部分供电为3.3V，为了防止12V 直接转换成3.3V 降压太大、造成内部热量增高，所以选用隔离DC/DC 电源模块作为二级电源，该电源模块输出功率为3W，一级电源模块的输出12V 作为二级单元的输入，二级电源5V 稳定输出作为三级电源LDO 芯片的输入，LDO 电源具有低功耗和低噪声的特点，适用于单片机及其外部电路工作电源。

图2 电源单元原理框图

■2.2 通信单元电路设计

本设计的通信方式是异步422 通信，主要由单片机控制器和串口电平转换芯片组成。一方面外部设备可以通过RS422 方式实现对功率控制器的接通、关断控制；另一方面外部设备可以通过RS422 通信方式获取当前控制状态及负载回路电流值。RS422 为异步串口采用双端平衡传输方式，即输入输出均为差分信号，其中一条线是逻辑1 时，另一条线为逻辑0，由两条双绞线传送一对互补信号，不仅抗干扰能力强而且传输速率高，传输距离可达1500m，同时为保证传输质量，常用的匹配方法如图3 所示，本设计采用的第(1)种。

图3 RS422 电阻匹配方法

■2.3 隔离单元电路设计

在航空配电系统中，负载端的接通和关断经常产生浪涌信号，浪涌信号会导致输入电波形塌陷，使供电质量变差，进而影响其他电路，为了防止负载端浪涌信号对控制端电路造成影响，本设计选用光耦器件进行隔离，因为光耦是电气安规元器件，具有阻止高电压以及电压瞬变发的功能，使系统某一部分的浪涌不会干扰或其他部分。本设计光耦隔离电路的原理框图如图4 所示。

图4 隔离单元原理框图

■2.4 负载过流保护电路设计

负载电流采集电路由电流采集和过流保护组成，本设计的电流采集通过选取可靠性高的电流传感器实现，由于传感器需要拥有绝对的灵敏度，设计中要求这个灵敏度不能随电源电压变化而变化，所以在一些应中ADC 和电流传感器不是共享一个电源轨，通常电流传感器感测电流的值可以用（Vout-VREF）/Senditivity 得到。在本设计中，选用的电流传感器芯片虽然没有VREF 引脚，但是它具有特殊的零点电流电位值，感测电流的值可以用（Vout-V零）/Senditivity 得到。芯片的测量量程是±25 A，测得零点电流时的电压值V零为1.65 V，电流传感器的灵敏度Sens 为55mV/A，假设Vout测量得2.5 V，那么此时输入电流为（2.5V-1.65V）/55(mV/A)=15.45A。本设计采用单片机的ADC 管脚直接采集Vout和V零来计算当前输入电流值，数据处理时，先校准零点电流值的保证当前电流值的准确度。除此之外由电流传感器芯片的FAULT 管脚在传感器到达满量程时，FAULT 管脚自动输出低电平，经光耦转换后供单片机读取，若光耦4管脚为低电平，说明此时负载回路未发生过流现象，若光耦4 管脚检测到高电平，说明此时负载回路电流到达传感器芯片的满量程25A，单片机依据采集的电流值及FAULT 管脚输出执行关断指令，实现功率回路的过流保护。原理框图如图5 所示。

图5 过流保护电路原理框图

3 软件设计

本设计的具体地软件设计总流程图如图6 所示。功率控制器负载电源上电后，未执行接通指令时，先对当前电流传感器的零点电流值读取处理，接通后内部执行逻辑控制和保护。

图6 软件程序设计原理框图

■3.1 软件上电初始化设计

根据框图6所示，处理器上电后，内部先对时钟、IO端口、串口、ADC 初始化配置如图7 所示。

图7 初始化程序设计

■3.2 软件逻辑控制设计

根据框图7 所示，处理器初始化完成后，分有两个任务，第一个任务是实现接收上位机的串口指令执行通断指令、IO 高低；第二个任务ADC 采集当前具体的功率回路的电流值，作为处理上位机通断指令的依据，如图8 所示。

图8 逻辑程序设计

■3.3 软件数据处理设计

本设计中涉及的数据处理，主要是ADC 采集电流值。大量的电流值作为样本，典型的冒泡法处理数据，将处理后的电流值作为逻辑程序中的判断依据。

4 实验结果

本设计中，通过检测光耦的高低电平判断功率回路是否触发保护点，若检测到高电平且存续一定时间，此时锁定当前状态，关断MOSFET 切断功率电，实现点保护。

5 结束语

本文结合从事的工作，设计了一种28V/15A 低压直流功率控制器，实现了15A 额定带载接通关断功能，串口通信和25A 过流保护功能，经过原理样机试验，能够满足最初设计参数，该设计切实可行。