基于CPLD的智能固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的研制

摘要：提出了一種適用于鐵路信號(hào)供電電源的智能固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)方案。以CPLD為核心，功率MOSFET作為主控器件，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換操作的無(wú)觸點(diǎn)切換。介紹了主電路、控制電路的硬件設(shè)計(jì)及軟件編程。實(shí)際應(yīng)用表明方案可靠實(shí)用，能夠提高供電的自動(dòng)化水平。

鐵路行車速度的不斷提高對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備和供電設(shè)備的可靠性提出了更高要求。鐵路信 號(hào)電源由貫通和自閉兩條線路供電，經(jīng)過自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）輸出給信號(hào)燈。ATS 應(yīng)具有 遠(yuǎn)程遙分遙合、過電流保護(hù)、開關(guān)狀態(tài)指示、當(dāng)?shù)厥謩?dòng)等功能。目前現(xiàn)場(chǎng)ATS 主要有兩種 實(shí)現(xiàn)方法：1、采用斷路器、機(jī)械聯(lián)鎖裝置及控制器組合而成；2、采用具有*分合功 能的低壓電控開關(guān)[1]。國(guó)外也提出了利用可編程控制器（PLC）的實(shí)現(xiàn)方法[2]。幾種方法都 屬于有觸點(diǎn)控制方式，壽命較短、響應(yīng)速度慢，而機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的存在降低了可靠性。本文 提出了以CPLD 為核心的智能ATS 技術(shù)，采用半導(dǎo)體功率器件構(gòu)成主電路實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)控制， 同時(shí)提供多種功能選擇以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的不同需要。

1 主電路設(shè)計(jì)

信號(hào)燈的額定供電為單相 220V/50Hz，額定工作電流5A，半導(dǎo)體器件可以采用雙向晶 閘管或者固態(tài)繼電器、全控型功率開關(guān)器件如MOSFET、IGBT 等。前者為半控型器件，需 要額外的關(guān)斷電路才能控制斷開，否則只能靠交流電源換向關(guān)斷，不能滿足重度過載或負(fù)載 側(cè)短路時(shí)速斷的要求，因此選用后者。

鐵路信號(hào)電源采用貫通、自閉兩條線路獨(dú)立供電，因此本文設(shè)計(jì)的兩路主電路拓?fù)湎嗤?其中一路的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]如圖1 所示，兩路輸出并聯(lián)連接給負(fù)載（信號(hào)燈）供電。

圖中，M1、M2 為N 溝道增強(qiáng)型MOS-FET，Y1、Y2 為壓敏電阻，D1-D4 和D5-D8 分別構(gòu)成的整流橋電路在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可以直接利用整流橋BR1、BR2 代替。

通過控制 MOS 管M1、M2 的同時(shí)通斷可以控制本線路是否對(duì)負(fù)載供電。

由于自閉、貫通兩條線路獨(dú)立供電，因此正常情況下兩線路主電路MOS 控制信號(hào)應(yīng) 為互補(bǔ)關(guān)系，而故障狀況下（如負(fù)載側(cè)短路）則兩路控制信號(hào)都應(yīng)使MOS 處于關(guān)斷狀態(tài)。 根據(jù)分析結(jié)果，實(shí)際選擇整流橋 BR1、BR2 為KBPC3510，UR＝1000V，IFAV＝35A。 選用IXYS 公司的N 溝道增強(qiáng)型IXFH26N50，ID＝26A，UDS＝1000V，RDS(on)＝0.20Ω。

2 控制電路硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換、過流保護(hù)、過載保護(hù)、自動(dòng)重合閘及本地手動(dòng)操作等功能，因 此設(shè)計(jì)的控制電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖中A、B 兩路代表供電的兩條線路。智能ATS 還提 供給用戶四種開關(guān)特性曲線，便于針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行選擇。

2.1 AC/DC 隔離電源

由兩路電源（貫通和自閉）輸入，輸出五路相互隔離的電源，其中一路輸出供給CPLD 及外圍電路，另外四路供給MOS 管的驅(qū)動(dòng)電路。這樣可以保證任意一條線路正常供電時(shí)， ATS 都能夠正常工作。

2.2 電壓檢測(cè)電路

通過電壓互感器檢測(cè)兩路電源電壓，判斷比較結(jié)果送給 CPLD 作為供電切換的依據(jù)。

2.3 負(fù)載電流檢測(cè)放大及判斷

利用交流電流互感器（5A／2.5mA）檢測(cè)負(fù)載電流，采樣電壓信號(hào)經(jīng)有源低通濾波放大 電路再進(jìn)行判斷比較，輸出不同的過流信號(hào)送給CPLD。

2.4 MOS 管驅(qū)動(dòng)及互鎖電路

CPLD 輸出的四路MOS 管控制信號(hào)經(jīng)過光電耦合器隔離和驅(qū)動(dòng)電路去控制MOS 管的 導(dǎo)通和關(guān)斷。為避免各種干擾可能造成的兩路同時(shí)給負(fù)載供電的意外狀況，設(shè)計(jì)了A、B 兩 路驅(qū)動(dòng)脈沖的硬件互鎖電路。

2.5 本控接口和遠(yuǎn)控接口

本地接口主要與裝置的開關(guān)、按鈕和LED 狀態(tài)指示燈進(jìn)行連接，包括方式選擇開關(guān)、 遠(yuǎn)控／本控開關(guān)、分B 合A 按鈕、分A 合B 按鈕、本地復(fù)位按鈕、LED 指示。

遠(yuǎn)控接口則用于接收低壓監(jiān)控系統(tǒng)的控制，同時(shí)向監(jiān)控裝置匯報(bào)包括供電狀況、工作狀 況、故障狀況等重要信息。包括控制信號(hào)：RM_EN（遠(yuǎn)方有效信號(hào)）、RM_A（分B 合A 信 號(hào)）；RM_B（分A 合B 信號(hào)）、RM_RST（遠(yuǎn)方復(fù)位信號(hào)）。后三個(gè)信號(hào)必須在RM_EN 有 效的情況下才起作用。

2.6 CPLD 及時(shí)鐘、硬件復(fù)位電路

CPLD 即復(fù)雜可編程邏輯器件，內(nèi)部可以集成高達(dá)幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)門的數(shù)字邏輯電 路，在線編程功能使用戶可以靈活地改變?cè)O(shè)定的功能，同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中通過仿真工具進(jìn)行硬件仿真，便于調(diào)試[4][5]，因此CPLD 得到了廣泛的應(yīng)用。時(shí)鐘電路為CPLD 提供穩(wěn)定可靠 的時(shí)鐘信號(hào)。利用MAXIM 公司的MAX705 構(gòu)成的硬件WATCHDOG 電路，為系統(tǒng)上電時(shí) 提供可靠的復(fù)位信號(hào)，解決干擾可能造成的死機(jī)問題，提高系統(tǒng)工作的可靠性。

3 CPLD 的邏輯功能實(shí)現(xiàn)

3.1 CPLD 要完成的功能

1）供電的自動(dòng)切換

根據(jù)不同的開關(guān)設(shè)置及信號(hào)情況，信號(hào)燈有本控主備方式、本控優(yōu)先方式、遠(yuǎn)控方式三種工作模式，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

在本控主備模式下，CPLD 設(shè)定A 為主路，B 為備用。只要A 路電源正常，則由A 路供電，否則才由B 路供電，一旦A 路電源恢復(fù)正常，則自動(dòng)切換到A 路供電。

在本控優(yōu)先和遠(yuǎn)控優(yōu)先模式下，兩路優(yōu)先等級(jí)相同。假設(shè) A 路正在工作時(shí)電源故障，則自動(dòng)切換到B 路供電，但A 路電源恢復(fù)正常后并不切換到A 路供電，而由B 路繼續(xù)供電。

本控優(yōu)先模式下本地強(qiáng)制切換控制信號(hào)（BUTT_A、BUTT_B）作用，而遠(yuǎn)控強(qiáng)制切換控制（REM_A、REM_B）和遠(yuǎn)方復(fù)位則無(wú)效。遠(yuǎn)控優(yōu)先模式則正好相反。

2）過流和過載保護(hù)

當(dāng)負(fù)載側(cè)出現(xiàn)短路故障時(shí)立即封鎖 MOS 管驅(qū)動(dòng)脈沖停止對(duì)負(fù)載供電，即短路速斷功能。當(dāng)出現(xiàn)過載且持續(xù)相應(yīng)時(shí)間后封鎖 MOS 管驅(qū)動(dòng)脈沖，持續(xù)時(shí)間根據(jù)過載電流大小的不

同而不同。

3）故障后延時(shí)供電功能

故障停電后在恢復(fù)供電之前經(jīng)過適當(dāng)延時(shí)，減少對(duì)供電電源的頻繁沖擊而影響其他信號(hào)燈的正常工作。

4）自動(dòng)重投功能

故障停電延時(shí)后，自動(dòng)嘗試恢復(fù)對(duì)信號(hào)燈的供電。

5）延時(shí)切換

A、B 兩路之間切換設(shè)置延時(shí)，以避免無(wú)延時(shí)可能造成的兩路電源的直接短接。

3.2 CPLD 程序設(shè)計(jì)

采用 TOP-DOWN 的設(shè)計(jì)思想和模塊化編程方法，先將總體功能劃分為五個(gè)一級(jí)模塊：

1）工作模式模塊

接收本控和遠(yuǎn)控信號(hào)，結(jié)合當(dāng)前的電源供電狀況，輸出無(wú)故障狀況下的A、B 路控制信號(hào)以及復(fù)位信號(hào)。

2）過流時(shí)間設(shè)定及計(jì)時(shí)模塊

用戶可以根據(jù)實(shí)際狀況的不同在 4 種方式中選擇合適的過流持續(xù)時(shí)間。不同的設(shè)定與常 用斷路器的不同特性曲線完全對(duì)應(yīng)。當(dāng)出現(xiàn)過流時(shí)，計(jì)時(shí)模塊開始工作，達(dá)到設(shè)定的時(shí)間后 模塊輸出有效過流信號(hào)，可以避免外部干擾造成的假過流停機(jī)問題。

3）停機(jī)時(shí)間設(shè)定及計(jì)時(shí)模塊

用戶可以根據(jù)實(shí)際狀況的不同在 4 種方式中選擇過流故障出現(xiàn)后停機(jī)的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時(shí)間時(shí)，模塊輸出可以重新合閘信號(hào)，以便恢復(fù)對(duì)信號(hào)燈的供電。

4）重合閘次數(shù)設(shè)定及計(jì)數(shù)模塊 用于用戶設(shè)定需要的過流保護(hù)后重新合閘的次數(shù)。如重合次數(shù)達(dá)到設(shè)定值則封鎖 MOS 管驅(qū)動(dòng)脈沖使負(fù)載保持?jǐn)嚯姡钡綇?fù)位或裝置重新上電。

5）綜合處理模塊 處理來自以上四個(gè)模塊的信號(hào)，提供合適的 MOS 管觸發(fā)信號(hào)，控制給信號(hào)燈的供電。 每個(gè)一級(jí)模塊利用幾個(gè)二級(jí)模塊組合實(shí)現(xiàn)，同時(shí)軟件設(shè)計(jì)利用狀態(tài)機(jī)（State Machine） 作為中間變量，加入冗余處理技術(shù)，提高邏輯的可靠性和抗干擾能力，保證信號(hào)燈供電的連 續(xù)性，避免不必要的兩路之間的切換。

3.3 邏輯綜合、仿真

在 MAX+PLUSII[6]編程環(huán)境下，采用了圖形輸入和AHDL 語(yǔ)言編程相結(jié)合的方式，經(jīng) 過實(shí)際編譯、功能仿真、定時(shí)仿真及不斷的優(yōu)化過程，最終選擇了Altera 公司MAX7000S 系列的EPM7128S-15。仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖中，下述信號(hào)高電平有效。OCH 為負(fù)載側(cè)短路信號(hào)，OCM、OCL 分別為負(fù)載側(cè)電流 過流、過載信號(hào)；A_AC、B_AC 分別為A、B 兩路電源的狀況；A_DRV_M1、B_DRV_M1 分別為A、B 兩路MOS 管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；FAULT 為故障狀況。

4 結(jié)論

根據(jù)上述技術(shù)方案研制的裝置經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)，結(jié)果表明可以實(shí)現(xiàn)貫通和自閉兩路供電的 自動(dòng)無(wú)觸點(diǎn)切換、過流保護(hù)、過載保護(hù)、自動(dòng)重合閘等功能，提供了多種工作模式供使用者 選擇，滿足實(shí)際需求，完全可以替代目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的ATS，提高鐵路信號(hào)燈供電的可靠性。 同時(shí)這一技術(shù)也可以推廣應(yīng)用于其他場(chǎng)合和行業(yè)，但是大功率場(chǎng)合的應(yīng)用必須考慮本方案存 在的功耗偏大的缺點(diǎn)。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)：提出一種基于 CPLD 的智能固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)兩路電源的 無(wú)觸點(diǎn)切換，提高了可靠性和壽命，多種功能的設(shè)置適合于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

[1].CPLDdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/CPLD_1136600.html.
[2].PLCdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PLC_1248813.html.
[3].M2 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/M2+_2039448.html.
[4].KBPC3510datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/KBPC3510_1965852.html.
[5].35Adatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/35A_1773264.html.
[6].IXFH26N50datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/IXFH26N50_362778.html.
[7].MAXIM datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/MAXIM+_1062568.html.
[8].MAX705 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/MAX705+_1019153.html.
[9].MAX7000S datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/MAX7000S+_1018714.html.