基于CPLD控制的直流固态功率控制器的设计
西北工业大学 自动化学院 陈再春,谢拴勤
SSPC(固态功率控制器)是由半导体器件构成的智能开关装置,用于接通／断开电路,实现电路保护和接收上级计算机的控制信号并向上位机实时反馈其状态信息。由于控制逻辑完全由CPLD内部的硬件电路完成,因此与功率器件一起工作时,具有很好的电磁兼容性和抗干扰能力。研制多开关的SSPC组共享大规模控制芯片,具有相当大的工程实用价值,尤其适用于空间有限的场合,如飞机上。
本文充分利用CPLD的特点,设计了具有集成度高、速度快、抗干扰能力强和可靠性高等优点的28V直流SSPC。在一块电路板上集成多个SSPC,各个功率开关问相互独立工作,进一步提高了功率密度。
1 功能定义
28V直流SSPC应该具有以下功能：
(1) 接收上位机的控制信号。该控制信号能够兼容TTL／CMOS电平,且高电平表示导通,低电平表示关断;
(2) 根据流过的SSPC的电流逻辑分析出自身的状态,并根据表1中的代码表示上传给上位机;
(3) SSPC能够实时诊断自身故障,并根据故障的严重程度不同,采取不同的保护措施。
2 总体方案设计
28V直流SSPC组的结构如图1所示。
每路SSPC的取样电阻上的电压经过调理电路和低通滤波以后,送到4通道的A／D转换器的模拟输入端,A／D转换器的数据输出端、状态信号和控制信号分别接到CPLD的I／O引脚,便于程序控制A／D转换器的动作。CPLD另外的I／O口可以配置为MOSFET的动作命令输出口线、SSPC的状态输出口线和与上位机相连的控制命令输入口线;CPLD自身提供的JTAG BST电路,可以方便地测试系统内部测试器件之间的连接和检验器件的操作。
由CPLD组成的逻辑判断电路的主要功能有：
(1) 将A／D转换得到的数据通过逻辑判断,综合出SSPC的工作状态并向上位机输出;
(2) 接收上位机的控制命令,结合自身的工作状态,综合得出SSPC的通断信号,控制MOSFET的开通和关断。
3 硬件设计
(1) 关键器件选型
电力MOSFET选用IR公司的IRF540N,它的漏-源最大耐压为IOOV,导通阻抗44mΩ,允许通过的最大电流33A。其最大优点为纳秒级的开通和关断时间,能够完全满足设计需要。
逻辑控制芯片采用ALTERA公司的flex6000系列。该系列采用的OptiFLEX结构增加了器件的有效面积,可用门的数目达8 000～
