一種通用型防誤保護的軟件濾波方法

徐棟，羅德杰，王鵬博，閆穩

（中航工業西安航空計算技術研究所，陜西西安，710068）

0 引言

當前，由于飛機系統需求的不斷豐富和完善，飛機機電系統產品也進一步綜合化、集成化，但也因此使飛機機電系統電磁環境越發復雜。機上復雜電磁環境可能會帶來產品中功率輸出電路誤保護，誤輸出等現象。而對于干擾導致的功率誤保護解決方式通常有兩種，第一種在設計階段就充分考慮干擾的影響，采取有效的硬件防護措施；第二種在控制策略方面增加抗干擾的軟件防護措施[1～2]。本文采用第二種方式，以機載設備保護電路中廣泛使用的TP2492芯片為例，提出了一種軟件過濾措施，能夠有效消除因外部設備干擾導致該芯片誤保護的問題。

1 TPS2492 芯片誤保護分析

■1.1 TPS2492 芯片工作原理

TPS2492 是一種易于使用、正極高壓、14 針的熱插拔控制器，可以安全地驅動外部N 通道場效應晶體管來控制負載電流，目前該芯片已被廣泛應用于功率輸出電路。TPS2492 芯片管腳及外圍電路如圖1 所示。

圖1 TP2492 芯片工作原理

在 圖1 中，UVEN 為 其 使 能 端，VCC 和SENSE 兩 端接入敏感電阻RSENSE，用以檢測電路的電流，GATE 控制N 通道場效應晶體管M1 的通斷。當該芯片檢測到流過RSENSE 的電流超過設置閾值時，芯片會關閉GATE 信號，同時將FLT 管腳置低，用以上報發生短路。

■1.2 TPS2492 保護電路工作原理及誤保護分析

在保護電路中，TPS2492 芯片控制N 通道場效應晶體管M1 的通斷，如圖2 所示。該電路通過TPS2492 的FLT管腳向控制芯片反饋短路信息，反饋通路中通過采集FLT管腳狀態從而識別狀態信息。

圖2 保護電路工作原理

觸發TPS2492 芯片保護機制的方式有兩種，其一為流過RSENSE 的電流超過閾值，此時芯片會給TIMER 引腳的時延電容CT 以27μA 速率充電，當CT 兩端電壓達到4V 時，芯片將進行短路保護，關閉GATE 信號，同時將FLT 置低，從而上報短路；當流過RSENSE 的電流未超過閾值時，芯片使電容CT 以2.7μA 速率放電。

其二為過壓保護，當 OV 管腳的輸入電壓大于1.26V 時，芯片會將關閉GATE 信號，同時將FLT 置低，從而上報發生短路。

在機上復雜電磁環境下，芯片地信號波動時，地信號可能導致OV 管腳輸入超過1.26V 的干擾電壓，從而引發芯片誤保護；另一種情況是TIMER 管腳輸入4V 的瞬間干擾電壓，同樣將導致芯片誤保護，因此功率輸出異常。

2 軟件濾波方法

為解決因干擾而導致的TP2492 芯片誤保護問題[3～6]，本文提出了一種軟件濾波方法，通過增加輸出復位以及故障

確認機制，來實現對干擾導致的誤保護的濾除，其主要原理為：當MCU 采集到第一次短路保護后，故障計數器計數值進行+1 操作，此時先將輸出控制指令進行復位，持續T1時間，同時TPS2492 芯片的保護狀態也被復位。T1 時間后由MCU 重新發送輸出控制指令，隨后再進行故障狀態采集。若T2 時間內故障計數器中數值大于等于N 次，則將故障狀態鎖定，不再重試。若T2 時間后采集故障狀態未到N 次，則將故障計數器清零，繼續正常輸出。（在此設置故障狀態采集確認時間為T=200ms），其中T、T1、T2、N 等參數的選取，需根據實際電路中功率器件的安全工作區以及安全裕度進行確定。

■2.1 短路存在時的故障重試機制

當短路真實存在時，故障重試機制時序如圖3 所示。

圖3 故障重試機制（短路真實存在）

當短路故障真實發生時：

t0～t1：t0 時刻控制芯片關斷MOS 管門極信號，FTL信號被置地，此時故障狀態采集芯片在經過200ms 的電平確認后，t1 時刻將采集到的FTL 信號低電平上報給控制芯片，控制芯片關閉輸出使能信號；

t1～t2：輸出使能信號關閉后，TP2492 芯片的短路狀態將被復位，FLT 信號會被重置為高電平，T1 時間后的t2時刻，控制芯片開始重試開通，重新輸出使能信號；

t2～t3：使能信號到達后，控制芯片輸出MOS 管門極信號，MOS 開通，此時短路故障依舊存在，因芯片檢測到短路狀態達到200μs，隨后在t3 時刻再次關閉MOS 管門極信號；

t3～t4：t3 時刻因再次短路，FLT 信號被置低，經過故障狀態采集芯片200ms 的電平確認后，在t4 時刻將故障狀態上報給控制芯片，控制芯片再次關斷使能信號；

t4～t5：輸出使能信號關斷后，控制芯片的短路狀態將再次被復位，FLT 信號會被重置為高電平，T1 時間后的t5時刻，控制芯片開始第二次重試，重新輸出使能信號；

t5～t6：t5 時刻重新輸出后，因短路故障持續存在，200μs 后的t6 時刻，MOS 管門極信號再次被關斷，FLT 信號再次被置低；

t6～t7：因再次短路，FLT 信號被置低，經過故障狀態采集芯片200ms 的電平確認后，在t6 時刻將故障狀態上報給控制芯片，控制芯片再次關斷使能信號；

t7 時刻關斷后，在等待T1 時間后將進行下一次重試，每進行一次重試，重試計數器都將加1，重試機制設置為N次，當計數器大于等于N時，將保持短路鎖定狀態，不再重試；

若在T2 時間內，重試計數器未累計大于等于N，則將計數器清空，待下一次檢測到短路故障時重新開始計數，T2、N 在此驗證電路中分別設置為T2=5 秒，N=5 次。

■2.2 干擾引起短路時的故障重試機制

當因干擾導致誤保護時，故障重試機制時序如圖4 所示。

圖4 故障重試機制（干擾引起短路）

當因干擾導致誤保護時：

t0～t1：t0 時刻因誤動作，控制芯片關斷MOS 管門極信號，FTL 信號被置地，此時故障狀態采集芯片在經過200ms 的電平確認后，t1 時刻將采集到的FTL 信號低電平上報給控制芯片，控制芯片關閉輸出使能信號；

t1～t2：輸出使能信號關閉后，控制芯片的短路狀態將被復位，FLT 信號會被重置為高電平，T1 時間后的t2 時刻，控制芯片開始重試開通，重新輸出使能信號；

t2～t3：使能信號到達后，控制芯片輸出MOS 管門極信號，MOS 開通，此時因未出現實際短路故障，故障狀態采集芯片經200ms 電平確認后，上報工作正常，時刻內功率正常輸出；

t3 以后無短路故障發生，功率正常輸出。

■2.3 相關參數的確定

輸出復位以及故障確認機制中電路輸出斷開持續時間為T3 ＝狀態采集芯片確認時間200ms ＋輸出復位時間T1。為確保輸出完全復位，應根據具體驅動芯片使用要求進行T1的選取，本文根據TP2492 芯片手冊，取T1 為20ms。

T3 上限時間確定：

應根據具體應用需求，在確保應用環境安全的情況下，輸出斷路所能持續的最大時間，在此取T3=250ms。

T3 下限時間確定：

T3 的下限時間由N 通道場效應晶體管功率耐受決定。當發生真實的短路故障時，控制芯片將在200μs 后切斷功率輸出，因此產品實際短路故障存在時間為200μs，參考晶體管器件（IRFR3710Z）手冊可知晶體管在短路故障下仍位于器件的安全工作區，且有較大余量，如圖5 所示，考慮降額使用并綜合輸出完全復位時間T1 后，得T3 的下限時間大于20ms 即可。

圖5 IRFR3710Z 安全工作區

綜上分析，確定T3 時間為220ms。

重試次數 N 確定：分析可得T3*N 應小于重試總時間T2，綜合考慮抗擾度提升、故障確認時間以及實際滿足安全情況下總時間T2=5s，確定N 為5。

故障重試機制軟件流程如圖6 所示。

圖6 故障重試機制軟件流程

3 測試結果分析

基于某機載機電產品中的功率輸出電路，將完善后軟件濾波策略進行應用驗證，在真實短路發生的保護以及干擾引起的保護兩種場景下進行了多次實際試驗驗證，驗證結果表明，該軟件濾波策略在正常滿足功率輸出電路保護需求的基礎上，對因干擾引起的誤保護進行了有效濾除。驗證結果表明，該軟件濾波策略有效可靠，實用性強。

4 結語

針對因復雜電磁環境下因干擾導致功率輸出電路誤保護的問題，本文提出了一種通用的軟件濾波策略方法，在不更改硬件的情況下，可以有效剔除干擾導致的誤保護問題，以TPS2492 芯片為例，進行了實際的應用驗證。該方法具有通用性強，實用性高等優點，該軟件策略的應用，能有效提高機載機電設備功率輸出功能的可靠性，為機載機電設備高綜合化、高集成化、高可靠性的發展提供了有效支撐。