基于PIC單片機的固體功率控制器設計

凌　闖

(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

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基于PIC單片機的固體功率控制器設計

凌闖

(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

摘要：介紹了一種新型的固體功率控制器；介紹了基于PIC單片機的固體功率控制器的功能和工作原理以及硬件設計和軟件設計。

關鍵詞：固體功率控制器；設計；PIC單片機

1引言

隨著全電/多電飛機的發展，國內外先進飛機的配電系統已由常規配電向固體配電發展。常規配電采用熱保護開關、繼電器、接觸器、斷路器等機電式器件對負載控制，其優點是技術成熟、器件工作穩定，缺點是電路過流、短路等故障響應較慢，不能實現負載的自動管理。因此必須采用新技術實現配電系統的匹配發展，固體配電技術應運而生。該技術以微型計算機為控制中心，通過多路傳輸和固體功率控制器(SSPC)來控制和保護負載，這種配電方式大大提高了配電系統的自動化和可靠性，實現了負載的自動管理功能，是今后配電系統的發展趨勢。

固體功率控制器是集斷路器保護功能和固體繼電器轉換功能于一體的智能開關裝置，分為直流和交流固體功率控制器兩種，具有開關速度快、無觸點、無電弧、電磁干擾小以及便于計算機控制等特點。

2功能和工作原理

固體功率控制器作為先進飛機配電系統中的重要配電設備，主要用于接通或關斷用電設備的電源，同時還具有過載保護功能和自檢測功能，指示負載是否已經發生跳閘或出現了故障，取代了常規配電的機械開關。

固體功率控制器除了具有偏置電路、隔離電路、驅動電路、輸出電路部分外，還有取樣和信號處理、保護和故障判斷(控制單元)、狀態反饋等電路。圖1為固體功率控制器內部功能框圖。

圖1　固體功率控制器內部功能框圖

固體功率控制器通過取樣和信號處理電路將輸出端出現的過載、短路異常情況傳送到故障判斷電路(控制單元)；根據控制算法控制輸出關斷，達到保護固體功率控制器的目的，同時由狀態輸出端輸出。

在正常工作時，控制輸入信號經隔離電路，將信號加到驅動電路，控制輸出電路的接通或關斷。

當電流過載時，通過取樣和信號處理電路，將過載信息反饋到控制單元電路，控制單元電路根據過載電流超過額定電流值的倍數，進行判斷、延時，在延時時間內過載未消除，將跳閘關斷輸出，同時反饋到跳閘狀態端和負載狀態端。

當短路時，通過取樣和信號處理電路，控制單元電路監測到短路信號，通過判斷，并及時關斷輸出，同時反饋到負載狀態端和跳閘狀態端。

3硬件設計

過載保護設計是固體功率控制器設計的核心部分，主要包括取樣、信號處理電路和控制單元電路設計。采用負載電流的電阻取樣法進行固體功率控制器過載、短路電流的檢測；采用Microchip公司的PIC12F675單片機進行固體功率控制器過載、短路保護控制。

3.1　取樣和信號處理電路

常用的電流檢測方式一般有基于磁場的檢測方法和基于分流器的檢測方法。基于磁場的檢測方法(以電流互感器和霍爾傳感器為代表)具有良好的隔離和較低的功率損耗等優點，但它的缺點是體積較大，線性以及溫度特性不理想。在本產品中，固體功率控制器過載、短路電流的檢測，采用輸出回路中串聯電阻進行電流取樣方式。過載、短路保護電阻取樣方案原理框圖見圖2。

圖2　過載、短路保護電阻取樣方案原理框圖

輸出回路中串聯取樣電阻將增大固體功率控制器的輸出電壓降。如果輸出電壓降增加太多，固體功率控制器的輸出電壓降增大、功耗增大。不過，基于取樣分辨率的考慮，電阻的阻值也不允許太低。

為了能夠進行正常A/D轉換，得到最好的A/D精度和分辨率，需要對取樣信號進行處理。在硬件設計時必須盡可能地讓取樣信號的動態變化變換到0～5V的電壓后再送給單片機進行A/D轉換。

3.2　控制單元電路

在固體功率控制器控制單元電路設計中，我們采用PIC12F675單片機進行控制。PIC12F675單片機是8引腳8位單片機，其引腳示意圖如圖3所示。

圖3　PIC12F675引腳示意圖

PIC12F675單片機技術性能具有以下優點：

(1)哈拂總線結構。PIC系列單片機在架構上采用了與眾不同的哈拂總線結構，在芯片內部將數據總線和指令總線分離，并采用不同的寬度，便于實現指令提取的“流水作業”；便于實現全部指令的單字節化、單周期化，從而有利于提高CPU執行指令的速度，確保數據的安全性。

(2)精簡指令集(RISC)技術。指令系統只有35條指令，容易學習、記憶、理解，也給程序的編寫、閱讀、調試、修改、交流帶來極大的便利，可謂“易學好用”。

(3)尋址方式簡單。只有寄存器間接尋址、立即數尋址、直接尋址和位尋址4種尋址方式，比較容易理解和掌握。

(4)PIC12F675芯片具有模數轉換器(A/D)模塊、模擬比較器模塊等，并有外接電路簡潔、開發方便、可用嵌入式C語言編程、可實現在線串行編程(ICSPTM)、程序保密性強等特點。

當固體功率控制器過載或短路時，通過取樣和信號處理電路，輸出一個與負載電流成正比的模擬電壓信號，模數轉換器(A/D)將采樣到的模擬電壓信號轉換成數字信號，通過預先編制的軟件程序實現在不同過載或短路電流下，不同跳閘時間的判斷，控制功率輸出管的驅動電路，達到關斷輸出的目的。

4軟件設計

固體功率控制器的過載跳閘時間控制根據過載電流大小進行時間控制，即過載電流越大，跳閘時間越短，也就是反時限過流保護。一般來說，I2t形狀的跳閘曲線是保護系統的最佳選擇。這是因為線路的功率損耗等于線阻與負載電流平方的乘積，而線路的溫度是由線耗時間長短決定的，這樣在相同時間內線路的溫度與電流的平方成正比。

軟件流程包括初始化程序、延時子程序、A/D轉換子程序和數據處理子程序等。軟件流程圖如圖4所示。

圖4　軟件流程

在軟件設計方面，設置了門檻對采樣信號進行數字濾波。由于A/D轉換需要一定的時間，所以在軟件設計時需考慮一定的延時。

5結論

通過試驗驗證，固體功率繼電器的邏輯控制正確，負載過流短路保護響應速度快，并能長時間保持運行可靠。

基于PIC單片機的固體功率繼電器的研制，突破了傳統的配電模式，實現了負載的自動管理和遠程控制，大大提高了配電系統的可靠性。

參考文獻

[1]張明峰.PIC單片機入門與實踐.北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[2]Microchip Technology Inc. PIC12F629/675.www.microchip.com.DS41190C.

[3]劉超等.KGG-1M型固體功率控制器.機電元件，2011.2.

A Design of Solid State Power Controller Based on

PIC Monolithic Computer

Ling Chuang

(The 40th Institute of CETC)

Abstract：Presented is a new solid state power controller that is based on PIC monolithic computer. Described are operating principle and functions of the controller, also, designs are provided for its hardware and software.

Keywords：solid state power controller, design, PIC monolithic computer

中圖分類號：TN784

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6133(2015)03-0009-03

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.03.003

收稿日期：2015-04-20