一種28 V/開路的離散量輸出電路設計

高云霞

（北京青云航空儀表有限公司，北京 101300）

0 引 言

在航空工業領域，離散量處理電路是很重要的組成部分，如機載設備的指示燈狀態、開關狀態、電機轉動等都需要通過離散量表征[1,2]。離散量是只有2個狀態的開關量的集合，通常劃分為“地/開”“電壓/地”“電壓/開”3種類型，其中“電壓”代表高電平，可以是10 V、15 V、28 V等形式，“開”指的是物理概念的開路[3,4]。離散量電路的處理技術也隨著應用環境的變化而不同，本文總結了常用離散量接口處理電路的實現方法，給出了一種經過使用驗證的28 V/開路的離散量輸出電路設計思路。

1 離散量接口處理電路概述

離散量處理電路從功能上分為輸入和輸出2種。輸入型離散量信號的采集電路將不同狀態轉換為互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）電平或者邏輯門電路（Transistor Transistor Logic，TTL）電平信號；輸出型離散量信號處理電路是將CMOS或TTL電平信號轉換為具有一定驅動能力的狀態信號。

采集離散量輸入信號的電路主要分為隔離型和非隔離型2種[5,6]。其中，隔離型電路一般采用光耦和分立阻容搭建，再加以必要的防護電路，可以避免系統內信號受到負載端異常時的不良影響。這類電路原理相對簡單，但是不適用于多路輸入的采集。另一種輸入采集方法是使用集成芯片。國際上的大公司（如DEI、HOLT）提供離散量信號處理的芯片，這類芯片通常具有多路，且各通道能單獨配置成不同格式的信號處理機制，輸出端通常也具有多種形式，如串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、并口等可直接連接處理器。隨著技術的不斷發展，集成芯片也集成了雷電防護等功能，大大節約了分立器件的防護電路的設計。國內目前也能提供類似集成芯片，但是未大規模成熟應用。集成芯片的優勢在于能夠同時處理多通道信號，占用電路板面積資源少，缺點在于各通道故障不能完全隔離，返修更換成本較大。非隔離型采集電路主要分為基于分立阻容器件和基于比較器2種。分立阻容器件的基本實現原理是通過電阻網絡分壓進行電平轉換，并對電壓進行濾波，再經過反相器進行邏輯轉換；基于比較器的采集電路前端通過電阻網絡分壓進行電壓轉換，再經過比較器完成邏輯電平的生成，有時為了保護后級電路的接收，在比較器后增加一個數據緩沖器，然后再進入處理器處理。

離散量輸出的處理方式也分為隔離型和非隔離型，2種類型的電路均使用分立器件進行搭建。隔離型的電路常用晶體管或場效應管做第一級驅動，用繼電器作為開關輸出，繼電器可滿足不同驅動電流的需求，但是體積較大，要設計保護和監測電路比較困難。也可以在第一級使用光耦做光電隔離，使用晶體管或場效應管做驅動輸出。非隔離型電路通常用于小電流驅動需求，如果通道較多，則使用達林頓晶體管做輸出端。

基于上述對行業內的技術調研，結合實際使用需求，本文給出了一種隔離型28 V/開路的離散量輸出電路。

2 28 V/開路的離散量輸出電路需求與設計

2.1 28 V/開路的離散量輸出電路需求

系統需求為輸出一種離散量信號，信號格式為28 V/開路，對應的物理含義如下。28 V為系統輸出有效，開路為系統無效，用于用戶方識別系統是否正常工作。根據系統需求，結合系統的總體設計，細化了該需求，識別出能夠用于指導電路設計的要求。

電路實現的邏輯需求：電路輸入端信號A為高時，輸出為開；電路輸入端信號A為低時，輸出為28 V。此處的電路輸入端信號A是指邏輯電平，與本文設計的電路位于同一電路板，高電平為5 V，低電平為0 V。

2.2 系統設計與原理實現

根據2.1節的需求總結出如圖1所示的系統設計框架，其中包含4個功能電路，分別是輸入電源處理電路、隔離電路、電平反相電路以及輸出驅動與防護電路。此外，在不同功能模塊電路中具有一些基本的濾波及保護電路。電源輸入端處理電路如圖2所示，隔離、反相及輸出電路原理如圖3所示。

圖1 28 V/開路的離散量輸出系統設計框架

圖2 電源輸入端處理電路

圖3 隔離、反相及輸出電路原理

2.3 功能電路設計

2.3.1 輸入端電源處理

因實現28 V/開路的邏輯需輸出到外部設備，為避免外部信號影響系統自身，該28 V電源不與外部輸入28 V共用。濾波器的輸入端使用LC進行濾波，輸出端加電容進行濾波。該濾波器體積小，剛好能夠實現對前后級電源的隔離需求。濾波器輸入端的28 V電源在進行電源特性試驗時電壓值穩定在40 V，因此后級的各項保護措施電路均在此條件下設計。此外，濾波器的額定電壓為100 V，額定電流為1 A，濾波頻段為0.01～10 MHz。對生成的28 V進行濾波，各濾波電容的耐壓值結合降額設計考慮選擇100 V，容值常規選擇1 μF。

2.3.2 隔離電路

隔離電路主要是將前端控制信號與后級進行隔離，隔離器件選擇單通道的光電耦合器（以下簡稱“光耦”）。光耦電路的設計就是保證既能使輸入端二極管導通，同時能使輸出端三極管導通。本電路選擇的光耦輸入端能承受的最大電流為20 mA，輸出電流為50 mA，輸入電壓DA_OUT高電平時為5 V，故需匹配一個阻值為470 Ω的限流電阻，輸入電流最大為10.6 mA，小于20 mA。輸入端為高電平時光耦導通，輸入端為低電平時光耦截止。

2.3.3 邏輯電平轉換

因輸入控制端的信號與輸出端的需求相反，故在中間使用三極管做邏輯轉換。三極管選擇常用的NPN型。前級光耦導通時，基極輸入電壓近似為0 V，此時三極管截止；前級光耦截止時，基極輸入電壓大于導通電壓，三極管導通。設計時需保證三極管能夠可靠截止，導通時能夠工作在飽和區。電路中R18為基極限流電阻，穩壓二極管為保護電路，當28 V電源出現尖峰時能夠保護前級光耦不被損壞，同時也能防止因大電壓對后級的三極管基極-發射極造成損壞。此外，限流電阻的大小應為1～10 kΩ，若阻值太小，前級光耦截止時的基極電壓大于低電平0.4 V，導致三極管不能可靠截止。

2.3.4 輸出電路

因輸出端需要滿足負載使用需求，輸出電流不小于20 mA，同時結合負載的阻抗特性，設計了輸出匹配電阻。選用P溝道的MOS場效應管作為開關，既能夠滿足邏輯輸出的需要，又能夠提供足夠的電流。場效應管的柵-源開啟電壓典型值為-3.5 V，柵極與前級三極管集電極相連，綜合分析計算選用10 kΩ電阻分壓28 V。輸入端DA_OUT為低電平時，場效應管導通，輸出端為高點平28 V；輸入端DA_OUT為高電平時，場效應管截止，輸出為開路，輸出電流從場效應管的漏極輸出。考慮接收端的負載情況，負載阻抗約為5 kΩ，輸出端需匹配一個電阻，阻值遠小于負載電阻。該輸出端電阻對系統自身電路具有一定的保護作用，當輸出端異常短路時，輸出高電平電壓全部由該電阻承受。電阻封裝選擇1206，額定功耗為0.25 W，滿足正常工作時的功耗降額需求，異常時該電阻可能被損壞，但是前級電路不受影響。

防護方面，輸出端增加了一個防止反向大電壓的二極管，二極管反向擊穿電壓遠大于輸出端的異常電壓。本電路選擇了反向擊穿電壓為100 V的二極管。為保護場效應管在電源尖峰時不受損壞，使用一個穩壓管保護柵-源極，穩壓管的穩壓值在場效應管的柵-源電壓極限值內。

3 調試與驗證

初次調試時，圖3電路中電阻R8和R18的阻值分別是4.7 kΩ和1 kΩ，測試發現輸入端DA_OUT為高電平時光耦輸出端的電壓為0.625 V，此時理論上后級的三極管未能導通，但測試發現此時三極管處于臨界導通狀態。集電極-發射極之間阻抗很小，且有一定的壓降，導致輸出端場效應管導通，輸出為27 V，不滿足設計需求。經分析，系R8、R18這2個電阻阻值不合適造成三極管基極電流偏大，盡管前級光耦輸出理論值為0 V，但實際受到后級影響導致基極電壓接近于三極管導通電壓。后更換電阻R8為10 kΩ，R18為4.7 kΩ，再次測試基極電壓為0.201 V，三極管可靠截止。后查閱資料，三極管可靠截止時基極電位不大于0.2 V，可以是負電壓，所以調試更換電阻后是一個合適的狀態。整機總裝之后，測試設備能實現信號燈的亮滅，測試電壓符合要求。聯調聯試時接入實際使用的負載設備，該設備能夠正常響應，在28 V狀態下測試輸出電壓約為26.5 V，開路狀態下測試電壓為0.05 V，對地電阻約為1 MΩ，滿足需求。最后整機產品經過了溫度沖擊、振動等環境應力試驗及電源特性試驗，均能夠穩定工作。

4 結 論

本設計給出了一種28 V/開路的離散量輸出電路設計，電路采用三極管、阻容等分立器件的結構設計，屬于隔離型接口電路，適用于離散量輸出接口通道少、電路板占用面積少的設計需求。