一種負荷閾值可配置的電源保護裝置的設計

劉 悅，羅中明，吳春升

（1.哈爾濱理工大學 測控技術與儀器黑龍江省高校重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省農副產品加工機械化研究所 黑龍江 佳木斯 154000）

隨著集成電路工藝的不斷發展，如今集成電路已從數千門發展到現在的百萬門、千萬門級的水平，多層電路板、表面安裝器件、多芯片模塊等組裝工藝的應用使得電路組裝形式更趨微型化[1]。隨著芯片集成度和布線密度的不斷提高，電路板上發生短路、短路等互聯故障的可能性大大增加[2]。據統計，互聯故障已占整個電路板故障的半數以上[3]。因此在電子設備的生產和維護階段，電路板測試成為了非常重要的環節。

而在測試階段，為了保證不對產品造成傷害，合理的保護電路就顯得尤為關鍵。而在測試系統中，針對不同供電的板卡，不同功耗的板卡，保護閾值是隨著板卡的不同而變化的，這就要求保護電路在閾值配置方面實現智能化。開關電源保護方法有多種，大多都是過流閾值固定的[4]，或是新型的用于低壓差線性穩壓器（LDO）的過流保護方法[5]，或是通過脈寬調制（PWM）實現過流保護[6]。文中提出了一種有效的負荷可配置的、可程控解除過流鎖定的電源保護裝置的設計方法。

1 設計背景

在測試工裝系統中，對待測板卡（UUT）上電是必要的，隨之，加入過流保護裝置保護待測對象不被燒毀也是必要的。而在兼容測試多種UUT的系統中，對于不同的待測對象（UUT， unit under test），供電電壓不同，輸入電流不同，這就對過流保護裝置的閾值提出了智能化可配置的要求。

根據以上要求，我們采用比較的方式設定不同的電壓來實現不同的過流閾值，進而控制回路的通斷。設計的結構框圖如圖1所示。

圖1 結構框圖Fig.1 Block diagram

2 信號采集與儀表放大

待測對象供電電壓范圍在5～48 V，電流采樣部分本設計采用了TI公司的，INA168（高側測量電流并聯監視器），此芯片為電流輸出，需通過電阻轉換為電壓信號，INA168的基本電路與內部結構如圖2所示。

可見，輸出電壓與回路電流IS、采樣電阻RS及RL有關，具體關系如下：

圖2 INA168基本電路圖Fig.2 Basic circuit connection of INA168

本設計中，Rs選用 0.18 Ω，1%， 最大功耗 1 W，YAGEO品牌的封裝2512的電阻作為采樣電阻（shunt），待測回路電流最大為2 A，但還不足以確定RL的值，還需根據比較電壓范圍來確定參數VO的范圍。

3 可配置閾值輸出

電壓比較部分是將INA168輸出的電壓VO與某一個閾值電壓做比較，輸出一個或高或低的電壓，進而控制MOS管的通斷。而實現此閾值的智能可配置也就實現了過流保護裝置的可配置。問題轉變成了可調直流電壓的輸出。此電壓不需大的輸出電流對驅動能力沒有要求，只做為比較器的輸入，因此，我們可以用DA來實現此閾值電壓的輸出。DAC選用TI公司的DAC8554，4通道，SPI接口，16位數模轉換器。5 V供電，電壓參考芯片采用Intersil的ISL21009BFB825Z，提供2.5 V的參考電壓。電壓參考部分電路如圖3所示。

圖3 電壓參考電路Fig.3 Circuit connection of voltage reference

選定了電壓參考為2.5 V，那么就可斷定，電壓閾值的范圍就應在0～2.5 V，那么VO的輸出也應控制在2.5 V以內，因此本設計將RL選定為34.8 KΩ。控制DAC8554的單片機選用飛思卡爾的MC9S12DT128，接口電路如圖4所示。

MC9S12DT128的PH口的PH1-PH3口用做SPI功能。

4 電壓比較與MOS管控制

電壓比較部分本設計選用了TI公司的LM293，電壓比較電路與MOS管控制電路如圖5所示。

圖4 DAC8554接口電路Fig.4 DAC8554 interface

圖5 電壓比較與MOS管控制電路Fig.5 Circuit of voltage compare and MOSFET control

若VOVAOUT，電流采樣電壓超出閾值范圍，比較器輸出為+5 V，經過反向施密特觸發器，輸出低電平，光耦導通，PNP三極管關斷，MOS管也處于關斷狀態。由此實現了過流保護的目的。而VAOUT是由DAC8554輸出，可自由調控，也就實現了可配置過流閾值的目的。

5 自鎖電路

回路過流后，MOS管自動關斷，回路瞬間處于無電流狀態，INA168采集到的信號為無電流狀態，MOS管在關斷后會跳變回導通狀態，因此本設計需要一個自鎖電路，在保證MOSFET關斷后不會重新打開。

實現方法如圖6所示。

根據后福島安全標準，核電機組的名義運行壽期為40年，但可以獲準進行一次最長為20年的延壽，前提條件是能夠滿足相關安全要求。迄今為止，僅有3臺壓水堆獲準延壽。

圖中，用一個開關J2代替了MOSFET來做仿真，J1為一個自鎖電路的開關，J1閉合，即J1電平為低時，自鎖電路工作。比較器LM293輸出的為高電平時，閉合J1，即置J1為低電平，自鎖電路開始工作，J2一旦斷開，即比較器輸出為低電平，只要一直保持閉合狀態，即使J2閉合，比較器輸出也為低，這樣就能保證過流的回路切斷后，在沒有電流的狀態也能保證MOSFET一直處于關斷的狀態。

圖6 自鎖電路Fig.6 Self-locking circuit

電路自鎖后，可通過J1來接觸自鎖，將J1斷開，即置J1為高電平，可接觸自鎖。在回路有電流通過時閉合J1，即置J1低電平，電路將處于初始化狀態。這里，J1可用一路DO信號代替，程控自鎖電路的開關。

6 固件實現

本裝置固件方面主要實現對上位機的通信，對上位機發送的數據進行解析，來控制可配置閾值的設定和過流自鎖開關DO的狀態。

工業以太網接口通用，支持遠距離傳輸，傳輸速率高且可靠，在多數工業系統中被采用。考慮到以上特點，采用了百兆工業以太網，TCP/IP協議。這樣，此裝置也可應用到DCS等工業場合。

固件總體流程圖如圖7所示。

可配置過流保護裝置固件設計包括2個模塊，初始化模塊和周期運行模塊。

其中以太網初始化部分，本設計與上位機通訊采用的ETH總線網絡使用的是MCU內部集成的MAC和PHY，在板卡初始化階段需要對這兩部分進行初始化配置使其滿足ETH網絡工作要求。

周期模塊完成板卡周期運行的一系列功能，模塊結構圖如圖9所示。

ETH下行數據接收采用周期查詢兩個接收緩沖區的方式，當查詢新收到ETH下行數據幀，則把網絡接收緩沖區中數據復制到本地存儲區ramrxdata并返回接收長度。

解析收到的ETH下行數據，判斷數據的長度、數據包的目的MAC、數據包類型及應用數據的LRC校驗是否有誤，數據有誤則丟棄數據包，數據正確則進行數據功能解析，根據功能碼對繼電器執行相應的操作并對ETH下行數據組包，功能碼錯誤也丟棄數據包。

圖7 流程圖Fig.7 Flow chart

圖8 初始化模塊結構圖Fig.8 Block diagram of initialization module

圖9 周期運行模塊結構圖Fig.9 Block diagram of cycle module

將需要發送到ETH總線上的數據復制到網絡發送緩沖區并等待網絡空閑時發送，因上位機需求，同一數據包連續發送多次。

7 結 論

市場上現有的電源保護裝置，保護閾值都是不可配置的，而且大多的保護裝置在過流保護后不可程控其解除鎖定，需重啟裝置才能繼續工作。文中提出了一種可配置閾值的過流保護裝置，過流鎖定后可通過程序控制接觸鎖定，不需要人為重啟裝置。本裝置為自動功能測試站而設計，根據不同的測試對象，設定不同的過流閾值，能更好的保護產品在測試環節不會受到損壞，節省生產成本。另一方面，電源保護裝置集成在自動功能測試站中，此裝置在過流鎖定后可通過上位機解除鎖定，不必人為去測試站機柜中重啟保護裝置來解除鎖定。操作方便，易實現。

[1]廖儀思.ICT在線測試儀軟件系統設計[D].長沙：湖南大學，2009.

[2]鐘波，孟曉風，季宏，等.邊界掃描環境下的板級互聯測試及其BIST實現 [J].應用基礎與工程科學學報，2009，17（4）：628.

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