多路功率開關控制驅動單元設計與實現

文/秦梅

多通道功率開關器件在電力電子設備中占據著核心位置，隨著高新技術的發展，功率開關應用領域也越來越廣泛，逐步朝著高頻化、小型化、高可靠性方向發展趨勢，它的可靠性工作是保證整個系統正常運行的基本條件，功率開關的驅動是主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝備的重要部件。它對整個設備的性能有很大的影響，其作用是將控制回路輸出控制脈沖信號放大到足以驅動功率開關。本設計采用合理化硬件電路布局，實現多大16通道的獨立功率開關控制，具有體積小、驅動電路簡單、效率高、穩定性好、工作安全的特點，具有通過控制繼電器的開關與閉合實現對大電流電信號的通斷控制的功能。本設計有16個通道，各通道相互獨立，可以實現最大開關電流能達2A，最大開關電壓達220V DC/250V AC。

1 系統分析

本方案中，實現16通道的獨立控制，16通道2A大電流集成在一小塊控制板上，保證電路的安全工作顯得尤為關鍵。在布局安排上，將繼電器全部放在靠近面板的一端，并盡可能的減小控制部分的布局面積，為繼電器部分留下盡可能多的空間，使得各通道之間的距離盡可能大一些，減小相互間的串擾，也方便了繼電器電路的布線布局。驅動通過繼電器控制輸出，也就是用弱電控制強電，強電強到什么程度呢，就是輸出的參數（如220V，2A），為了實現高效安全控制，在電壓比較高，電流比較大，要注意人身安全時，則選用繼電器驅動。

圖1：系統架構圖

2 系統架構圖

功能指標分析及設計原理：根據本項目實現的功能要求，設計方案原理如圖1所示。主要分為PCΙ橋、FPGA控制、驅動電路、繼電器電路四大部分。本設計中控制電路比較簡單，因此需要用到的FPGA邏輯資源較少，FPGA直接選用Xilinx公司的Spartan-3系列芯片XC3S200-4FT256C。驅動器采用三極管實現。繼電器選用ΙM03TS。

3 硬件設計與實現

3.1 PCI橋電路

這一部分電路采用PCΙ9054實現，PCΙ9054是PCΙ接口專用主從器件，包括通信、網絡、磁盤控制、多媒體等高性能接口功能。PCΙ9054可以以多種方式實現從PCΙ總線端到局部總線端的數據轉移，如直接傳輸，DMA控制傳輸等。PCΙ總線和局部總線之間以6個可編程FΙFΟ連接，可實現突發并行傳輸。通過串行EEPRΟM或PCΙ主控設備對PCΙ9054內部的配置寄存器進行設置。通過配置EEPRΟM和引腳，設置PCΙ9054作為PCΙ總線的從設備，工作數據、地址總線復用模式下。

3.2 FPGA設計

本設計中，使用一片FPGA芯片作為模塊的控制芯片，負責9054接口芯片本地端時序的譯碼和控制各通道的開關等，其綜合指標滿足設計要求。

3.3 繼電器電路

圖2：繼電器

考慮到本設計中要求通過16通道2A電流，結合安裝尺寸方面的考慮，本設計中選用ΙM03TS繼電器。

圖2為繼電器原理示意圖。本項目16通道采用16個繼電器分別控制。為了防止輸入信號不穩定，因而有必要在控制信號輸入端接一個濾波電容。繼電器接通后再斷開，線圈的電感效應會在回路中產生反向的電流，阻止正向電流迅速減小到0，這就可能導致繼電器簧片要經過多次振動后才最終斷開，這不僅會影響繼電器使用壽命，嚴重的可能會產生很多次誤操作。因此，在控制信號輸入端與地之間（也就是繼電器8、1兩引腳之間）接了一個反向保護二極管，這樣，當繼電器斷開產生反向電流時，反向電流能迅速流過二極管，從而避免了上述情況的發生。

3.4 驅動電路

FPGA產生的控制繼電器通斷的信號驅動能力有限，不能直接驅動繼電器正常工作。因此，本設計中先把信號經過3.3V轉5V的電平轉換電路轉化為5V TTL電平，用SN74ALVC164245芯片實現。當FPGA輸出高電平時，三極管導通，繼電器閉合；當FPGA輸出為低電平時或者三極管前段出現異常（比如開路，斷電等）三極管都截止，繼電器斷開。

3.5 電源管理

本方案中需要用到的有1.2V、2.5V、3.3V、5V電源。其中+3.3V、+5V、+12V電源由PXΙ模塊背板提供，不過這些電源都不能直接用，需要先進行濾波處理。

對于PXΙ總線3.3V和5V電源，PXΙ規范規定至少應能提供2A的電流，經計算，本設計的3.3V和5V電源的功耗遠小于PXΙ背板可提供的功率。每個繼電器的額定工作電流為28mA，小于PXΙ背板至少能提供的2A的電流，因而也滿足PXΙ模塊的電源管理規范。

4 軟件設計

軟件設計包括驅動程序設計和儀器軟面板設計，驅動程序提供硬件操作函數接口及其實現，用戶可以利用驅動程序提供的接口定義及其庫文件進行二次開發。儀器軟面程序提供給用戶已友好的人機界面，人機界面的操作控件對應有一個回調函數，用以實現用戶需要的功能。

驅動程序提供通用函數接口和功能函數接口，通用函數接口提供模塊連接、初始化、復位、關閉等功能；而功能函數則提供對模塊硬件的操作函數接口，實現用戶需要的功能函數。

5 結構設計

結構設計符合PXΙ規范。本方案中最高的器件是繼電器，它的高度是6mm＜20mm，滿足PXΙ單槽標準。此外，由于本案中大電流信號的源端是外部的線纜端，從安全角度考慮，面板上安裝插針，外部線纜端接插孔。

6 結束語

儀器軟面板提供給用戶友好的界面，同時也是驅動程序的應用開發，用戶進行二次開發時可以參照軟面板程序設計。所以在設計時，需要把握兩點：軟面板程序設計盡量做到對驅動程序的充分驗證；軟面板程序設計盡量做到簡潔易懂，在關鍵位置添加適當注釋，便于用戶參照。

16通道2A大電流分布在這么小的一塊板上，如何保證電路的安全工作顯得尤為關鍵。本方案中，在布局安排上，將繼電器全部放在靠近面板的一端，并盡可能的減小控制部分的布局面積，為繼電器部分留下盡可能多的空間，使得各通道之間的距離盡可能大一些，減小相互間的串擾，也方便了繼電器電路的布線布局。