一种负荷阈值可配置的电源保护装置的设计

摘要：介绍了一种基于工业以太网、MC9S12DT128的负荷阈值可配置电源保护装置的软、硬件设计方案。该方案采用TI公司的高侧测量电流并联监视器INA168采集电流信息，信号经调理后，与DAC8554输出的电压进行比较，通过比较结果控制电流回路通断。DAC8554输出电压可配置，过流锁定后可程控接触锁定。装置可配置且便于操作，可广泛应用于电子产品的测试系统中。
关键词：过流保护；工业以太网；电源保护；自动保护

    随着集成电路工艺的不断发展，如今集成电路已从数千门发展到现在的百万门、千万门级的水平，多层电路板、表面安装器件、多芯片模块等组装工艺的应用使得电路组装形式更趋微型化。随着芯片集成度和布线密度的不断提高，电路板上发生短路、短路等互联故障的可能性大大增加。据统计，互联故障已占整个电路板故障的半数以上。因此在电子设备的生产和维护阶段，电路板测试成为了非常重要的环节。
而在测试阶段，为了保证不对产品造成伤害，合理的保护电路就显得尤为关键。而在测试系统中，针对不同供电的板卡，不同功耗的板卡，保护阈值是随着板卡的不同而变化的，这就要求保护电路在阈值配置方面实现智能化。开关电源保护方法有多种，大多都是过流阈值固定的，或是新型的用于低压差线性稳压器(LDO)的过流保护方法，或是通过脉宽调制(PWM)实现过流保护。文中提出了一种有效的负荷可配置的、可程控解除过流锁定的电源保护装置的设计方法。

1 设计背景
    在测试工装系统中，对待测板卡(UUT)上电是必要的，随之，加入过流保护装置保护待测对象不被烧毁也是必要的。而在兼容测试多种UUT的系统中，对于不同的待测对象(UUT，unit under test)，供电电压不同，输入电流不同，这就对过流保护装置的阈值提出了智能化可配置的要求。

    根据以上要求，我们采用比较的方式设定不同的电压来实现不同的过流阈值，进而控制回路的通断。设计的结构框图如图1所示。

2 信号采集与仪表放大
    待测对象供电电压范围在5～48 V，电流采样部分本设计采用了TI公司的，INA168(高侧测量电流并联监视器)，此芯片为电流输出，需通过电阻转换为电压信号，INA168的基本电路与内部结构如图2所示。

    可见，输出电压与回路电流Is、采样电阻RS及RL有关，具体关系如下：
    VD=ISRSRI／5 kΩ
    本设计中，RS选用0．18 Ω，1％，最大功耗1 W，YAGEO品牌的封装2512的电阻作为采样电阻(shunt)，待测回路电流最大为2 A，但还不足以确定RL的值，还需根据比较电压范围来确定参数VO的范围。
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3 可配置阈值输出
    电压比较部分是将INA168输出的电压VO与某一个阈值电压做比较，输出一个或高或低的电压，进而控制MOS管的通断。而实现此阈值的智能可配置也就实现了过流保护装置的可配置。问题转变成了可调直流电压的输出。此电压不需大的输出电流对驱动能力没有要求，只做为比较器的输入，因此，我们可以用DA来实现此阈值电压的输出。DAC选用TI公司的DAC8554，4通道，SPI接口，16位数模转换器。5 V供电，电压参考芯片采用Intersil的ISL21009BFB825Z，提供2．5 V的参考电压。电压参考部分电路如图3所示。

    选定了电压参考为2．5 V，那么就可断定，电压阈值的范围就应在0～2．5 V，那么VO的输出也应控制在2．5 V以内，因此本设计将RL选定为34．8 KΩ。控制DAC8554的单片机选用飞思卡尔的MC9S12DT128，接口电路如图4所示。

    MC9S12DT128的PH口的PH1-PH3口用做SPI功能。[!--empirenews.page--]

4 电压比较与MoS管控制
    电压比较部分本设计选用了TI公司的LM293，电压比较电路与MOS管控制电路如图5所示。
    图中比较器同向输人端连接INA168输出的电流采样电压VO；反向输入端连接DAC8554输出的配置好的阈值电压VAOUT。
    若VO<VAOUT，即，电流采样电压在阈值范围之内，比较器输出近似0 V，通过反向施密特触发器74HC14DR，输出高电平，光耦关断，PNP三极管导通，MOS管处于导通状态；若VO>VAOUT，电流采样电压超出阈值范围，比较器输出为+5 V，经过反向施密特触发器，输出低电平，光耦导通，PNP三极管关断，MOS管也处于关断状态。由此实现了过流保护的目的。而VAOUT是由DAC8554输出，可自由调控，也就实现了可配置过流阈值的目的。

5 自锁电路
    回路过流后，MOS管自动关断，回路瞬间处于无电流状态，INA168采集到的信号为无电流状态，MOS管在关断后会跳变回导通状态，因此本设计需要一个自锁电路，在保证MOSFET关断后不会重新打开。
    实现方法如图6所示。

    图中，用一个开关J2代替了MOSFET来做仿真，J1为一个自锁电路的开关，J1闭合，即J1电平为低时，自锁电路工作。比较器LM293输出的为高电平时，闭合J1，即置J1为低电平，自锁电路开始工作，J2一旦断开，即比较器输出为低电平，只要一直保持闭合状态，即使J2闭合，比较器输出也为低，这样就能保证过流的回路切断后，在没有电流的状态也能保证NOSFET一直处于关断的状态。
    电路自锁后，可通过J1来接触自锁，将J1断开，即置J1为高电平，可接触自锁。在回路有电流通过时闭合J1，即置J1低电平，电路将处于初始化状态。这里，J1可用一路DO信号代替，程控自锁电路的开关。
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6 固件实现
    本装置固件方面主要实现对上位机的通信，对上位机发送的数据进行解析，来控制可配置阈值的设定和过流自锁开关DO的状态。
    工业以太网接口通用，支持远距离传输，传输速率高且可靠，在多数工业系统中被采用。考虑到以上特点，采用了百兆工业以太网，TCP／IP协议。这样，此装置也可应用到DCS等工业场合。
    固件总体流程图如图7所示。

    可配置过流保护装置固件设计包括2个模块，初始化模块和周期运行模块。
    初始化模块完成板卡上电后各部分的初始配置，如图8所示。
    其中以太网初始化部分，本设计与上位机通讯采用的ETH总线网络使用的是MCU内部集成的MAC和PHY，在板卡初始化阶段需要对这两部分进行初始化配置使其满足ETH网络工作要求。
    周期模块完成板卡周期运行的一系列功能，模块结构图如图9所示。

    ETH下行数据接收采用周期查询两个接收缓冲区的方式，当查询新收到ETH下行数据帧，则把网络接收缓冲区中数据复制到本地存储区ramrxdata并返回接收长度。
    解析收到的ETH下行数据，判断数据的长度、数据包的目的MAC、数据包类型及应用数据的LRC校验是否有误，数据有误则丢弃数据包，数据正确则进行数据功能解析，根据功能码对继电器执行相应的操作并对ETH下行数据组包，功能码错误也丢弃数据包。
    将需要发送到ETH总线上的数据复制到网络发送缓冲区并等待网络空闲时发送，因上位机需求，同一数据包连续发送多次。

7 结论
    市场上现有的电源保护装置，保护阚值都是不可配置的，而且大多的保护装置在过流保护后不可程控其解除锁定，需重启装置才能继续工作。文中提出了一种可配置阈值的过流保护装置，过流锁定后可通过程序控制接触锁定，不需要人为重启装置。本装置为自动功能测试站而设计，根据不同的测试对象，设定不同的过流阈值，能更好的保护产品在测试环节不会受到损坏，节省生产成本。另一方面，电源保护装置集成在自动功能测试站中，此装置在过流锁定后可通过上位机解除锁定，不必人为去测试站机柜中重启保护装置来解除锁定。操作方便，易实现。