一种负荷阈值可配置的电源保护装置的设计

一种负荷阈值可配置的电源保护装置的设一种负荷阈值可配置的电源保护装置的设 计计 随着集成电路工艺的不断发展 如今集成电路已从数千门发展到现在的百万门 千万门级 的水平 多层电路板 表面安装器件 多芯片模块等组装工艺的应用使得电路组装形式更 趋微型化 随着芯片集成度和布线密度的不断提高 电路板上发生短路 短路等互联故障 的可能性大大增加 据统计 互联故障已占整个电路板故障的半数以上 因此在电子设备 的生产和维护阶段 电路板测试成为了非常重要的环节 而在测试阶段 为了保证不对产品造成伤害 合理的保护电路就显得尤为关键 而在测试 系统中 针对不同供电的板卡 不同功耗的板卡 保护阈值是随着板卡的不同而变化的 这就要求保护电路在阈值配置方面实现智能化 开关电源保护方法有多种 大多都是过流 阈值固定的 或是新型的用于低压差线性稳压器 LDO 的过流保护方法 或是通过脉宽调 制 PWM 实现过流保护 文中提出了一种有效的负荷可配置的 可程控解除过流锁定的电 源保护装置的设计方法 1 设计背景 在测试工装系统中 对待测板卡 UUT 上电是必要的 随之 加入过流保护装置保护待测 对象不被烧毁也是必要的 而在兼容测试多种 UUT 的系统中 对于不同的待测对象 UUT unit under test 供电电压不同 输入电流不同 这就对过流保护装置的阈值提出 了智能化可配置的要求 根据以上要求 我们采用比较的方式设定不同的电压来实现不同的过流阈值 进而控制回 路的通断 设计的结构框图如图 1 所示 2 信号采集与仪表放大 待测对象供电电压范围在 5 48 V 电流采样部分本设计采用了 TI 公司的 INA168 高侧 测量电流并联监视器 此芯片为电流输出 需通过电阻转换为电压信号 INA168 的基本 电路与内部结构如图 2 所示 可见 输出电压与回路电流 Is 采样电阻 RS 及 RL 有关 具体关系如下 本设计中 RS 选用 0 18 1 最大功耗 1 W YAGEO 品牌的封装 2512 的电阻作 为采样电阻 shunt 待测回路电流最大为 2 A 但还不足以确定 RL 的值 还需根据比较 电压范围来确定参数 VO 的范围 3 可配置阈值输出 电压比较部分是将 INA168 输出的电压 VO 与某一个阈值电压做比较 输出一个或高或低 的电压 进而控制 MOS 管的通断 而实现此阈值的智能可配置也就实现了过流保护装置 的可配置 问题转变成了可调直流电压的输出 此电压不需大的输出电流对驱动能力没有 要求 只做为比较器的输入 因此 我们可以用 DA 来实现此阈值电压的输出 DAC 选用 TI 公司的 DAC8554 4 通道 SPI 接口 16 位数模转换器 5 V 供电 电压参考芯片采用 Intersil 的 ISL21009BFB825Z 提供 2 5 V 的参考电压 电压参考部分电路如图 3 所示 选定了电压参考为 2 5 V 那么就可断定 电压阈值的范围就应在 0 2 5 V 那么 VO 的输出也应控制在 2 5 V 以内 因此本设计将 RL 选定为 34 8 K 控制 DAC8554 的 单片机选用飞思卡尔的 MC9S12DT128 接口电路如图 4 所示 MC9S12DT128 的 PH 口的 PH1 PH3 口用做 SPI 功能 4 电压比较与 MoS 管控制 电压比较部分本设计选用了 TI 公司的 LM293 电压比较电路与 MOS 管控制电路如图 5 所 示 图中比较器同向输人端连接 INA168 输出的电流采样电压 VO 反向输入端连接 DAC8554 输出的配置好的阈值电压 VAOUT 若 VOVAOUT 电流采样电压超出阈值范围 比较器输出为 5 V 经过反向施密特触发器 输出低电平 光耦导通 PNP 三极管关断 MOS 管也处于关断状态 由此实现了过流保 护的目的 而 VAOUT 是由 DAC8554 输出 可自由调控 也就实现了可配置过流阈值的 目的 5 自锁电路 回路过流后 MOS 管自动关断 回路瞬间处于无电流状态 INA168 采集到的信号为无电 流状态 MOS 管在关断后会跳变回导通状态 因此本设计需要一个自锁电路 在保证 MOSFET 关断后不会重新打开 实现方法如图 6 所示 图中 用一个开关 J2 代替了 MOSFET 来做仿真 J1 为一个自锁电路的开关 J1 闭合 即 J1 电平为低时 自锁电路工作 比较器 LM293 输出的为高电平时 闭合 J1 即置 J1 为低电平 自锁电路开始工作 J2 一旦断开 即比较器输出为低电平 只要一直保持闭合 状态 即使 J2 闭合 比较器输出也为低 这样就能保证过流的回路切断后 在没有电流 的状态也能保证 NOSFET 一直处于关断的状态 电路自锁后 可通过 J1 来接触自锁 将 J1 断开 即置 J1 为高电平 可接触自锁 在回 路有电流通过时闭合 J1 即置 J1 低电平 电路将处于初始化状态 这里 J1 可用一路 DO 信号代替 程控自锁电路的开关 6 固件实现 本装置固件方面主要实现对上位机的通信 对上位机发送的数据进行解析 来控制可配置 阈值的设定和过流自锁开关 DO 的状态 工业以太网接口通用 支持远距离传输 传输速率高且可靠 在多数工业系统中被采用 考虑到以上特点 采用了百兆工业以太网 TCP IP 协议 这样 此装置也可应用到 DCS 等工业场合 固件总体流程图如图 7 所示 可配置过流保护装置固件设计包括 2 个模块 初始化模块和周期运行模块 初始化模块完成板卡上电后各部分的初始配置 如图 8 所示 其中以太网初始化部分 本设计与上位机通讯采用的 ETH 总线网络使用的是 MCU 内部集 成的 MAC 和 PHY 在板卡初始化阶段需要对这两部分进行初始化配置使其满足 ETH 网络 工作要求 周期模块完成板卡周期运行的一系列功能 模块结构图如图 9 所示 ETH 下行数据接收采用周期查询两个接收缓冲区的方式 当查询新收到 ETH 下行数据帧 则把网络接收缓冲区中数据复制到本地存储区 ramrxdata 并返回接收长度 解析收到的 ETH 下行数据 判断数据的长度 数据包的目的 MAC 数据包类型及应用数 据的 LRC 校验是否有误 数据有误则丢弃数据包 数据正确则进行数据功能解析 根据功 能码对继电器执行相应的操作并对 ETH 下行数据组包 功能码错误也丢弃数据包 将需要发送到 ETH 总线上的数据复制到网络发送缓冲区并等待网络空闲时发送 因上位机 需求 同一数据包连续发送多次 7 结论 市场上现有的电源保护装置 保护阚值都是不可配置的 而且大多的保护装置在过流保护 后不可程控其解除锁定 需重启装置才能继续工作 文中提出了一种可配置阈值的过流保 护装置 过流锁定后可通过程序控制接触锁定 不