摘要：介紹了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)、MC9S12DT128的負荷閾值可配置電源保護裝置的軟、硬件設(shè)計方案。該方案采用TI公司的高側(cè)測量電流并聯(lián)監(jiān)視器INA168采集電流信息，信號經(jīng)調(diào)理后，與DAC8554輸出的電壓進行比較，通過比較結(jié)果控制電流回路通斷。DAC8554輸出電壓可配置，過流鎖定后可程控接觸鎖定。裝置可配置且便于操作，可廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的測試系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：過流保護；工業(yè)以太網(wǎng)；電源保護；自動保護
隨著集成電路工藝的不斷發(fā)展，如今集成電路已從數(shù)千門發(fā)展到現(xiàn)在的百萬門、千萬門級的水平，多層電路板、表面安裝器件、多芯片模塊等組裝工藝的應(yīng)用使得電路組裝形式更趨微型化。隨著芯片集成度和布線密度的不斷提高，電路板上發(fā)生短路、短路等互聯(lián)故障的可能性大大增加。據(jù)統(tǒng)計，互聯(lián)故障已占整個電路板故障的半數(shù)以上。因此在電子設(shè)備的生產(chǎn)和維護階段，電路板測試成為了非常重要的環(huán)節(jié)。
而在測試階段，為了保證不對產(chǎn)品造成傷害，合理的保護電路就顯得尤為關(guān)鍵。而在測試系統(tǒng)中，針對不同供電的板卡，不同功耗的板卡，保護閾值是隨著板卡的不同而變化的，這就要求保護電路在閾值配置方面實現(xiàn)智能化。開關(guān)電源保護方法有多種，大多都是過流閾值固定的，或是新型的用于低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的過流保護方法，或是通過脈寬調(diào)制(PWM)實現(xiàn)過流保護。文中提出了一種有效的負荷可配置的、可程控解除過流鎖定的電源保護裝置的設(shè)計方法。
1 設(shè)計背景
在測試工裝系統(tǒng)中，對待測板卡(UUT)上電是必要的，隨之，加入過流保護裝置保護待測對象不被燒毀也是必要的。而在兼容測試多種UUT的系統(tǒng)中，對于不同的待測對象(UUT，unit under test)，供電電壓不同，輸入電流不同，這就對過流保護裝置的閾值提出了智能化可配置的要求。
根據(jù)以上要求，我們采用比較的方式設(shè)定不同的電壓來實現(xiàn)不同的過流閾值，進而控制回路的通斷。設(shè)計的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2 信號采集與儀表放大
待測對象供電電壓范圍在5～48 V，電流采樣部分本設(shè)計采用了TI公司的，INA168(高側(cè)測量電流并聯(lián)監(jiān)視器)，此芯片為電流輸出，需通過電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，INA168的基本電路與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
可見，輸出電壓與回路電流Is、采樣電阻RS及RL有關(guān)，具體關(guān)系如下：
VD=ISRSRI／5 kΩ
本設(shè)計中，RS選用0．18 Ω，1％，最大功耗1 W，YAGEO品牌的封裝2512的電阻作為采樣電阻(shunt)，待測回路電流最大為2 A，但還不足以確定RL的值，還需根據(jù)比較電壓范圍來確定參數(shù)VO的范圍。
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3 可配置閾值輸出
電壓比較部分是將INA168輸出的電壓VO與某一個閾值電壓做比較，輸出一個或高或低的電壓，進而控制MOS管的通斷。而實現(xiàn)此閾值的智能可配置也就實現(xiàn)了過流保護裝置的可配置。問題轉(zhuǎn)變成了可調(diào)直流電壓的輸出。此電壓不需大的輸出電流對驅(qū)動能力沒有要求，只做為比較器的輸入，因此，我們可以用DA來實現(xiàn)此閾值電壓的輸出。DAC選用TI公司的DAC8554，4通道，SPI接口，16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。5 V供電，電壓參考芯片采用Intersil的ISL21009BFB825Z，提供2．5 V的參考電壓。電壓參考部分電路如圖3所示。
選定了電壓參考為2．5 V，那么就可斷定，電壓閾值的范圍就應(yīng)在0～2．5 V，那么VO的輸出也應(yīng)控制在2．5 V以內(nèi)，因此本設(shè)計將RL選定為34．8 KΩ?？刂艱AC8554的單片機選用飛思卡爾的MC9S12DT128，接口電路如圖4所示。
MC9S12DT128的PH口的PH1-PH3口用做SPI功能。[!--empirenews.page--]
4 電壓比較與MoS管控制
電壓比較部分本設(shè)計選用了TI公司的LM293，電壓比較電路與MOS管控制電路如圖5所示。
圖中比較器同向輸人端連接INA168輸出的電流采樣電壓VO；反向輸入端連接DAC8554輸出的配置好的閾值電壓VAOUT。
若VO<VAOUT，即，電流采樣電壓在閾值范圍之內(nèi)，比較器輸出近似0 V，通過反向施密特觸發(fā)器74HC14DR，輸出高電平，光耦關(guān)斷，PNP三極管導通，MOS管處于導通狀態(tài)；若VO>VAOUT，電流采樣電壓超出閾值范圍，比較器輸出為+5 V，經(jīng)過反向施密特觸發(fā)器，輸出低電平，光耦導通，PNP三極管關(guān)斷，MOS管也處于關(guān)斷狀態(tài)。由此實現(xiàn)了過流保護的目的。而VAOUT是由DAC8554輸出，可自由調(diào)控，也就實現(xiàn)了可配置過流閾值的目的。
5 自鎖電路
回路過流后，MOS管自動關(guān)斷，回路瞬間處于無電流狀態(tài)，INA168采集到的信號為無電流狀態(tài)，MOS管在關(guān)斷后會跳變回導通狀態(tài)，因此本設(shè)計需要一個自鎖電路，在保證MOSFET關(guān)斷后不會重新打開。
實現(xiàn)方法如圖6所示。
圖中，用一個開關(guān)J2代替了MOSFET來做仿真，J1為一個自鎖電路的開關(guān)，J1閉合，即J1電平為低時，自鎖電路工作。比較器LM293輸出的為高電平時，閉合J1，即置J1為低電平，自鎖電路開始工作，J2一旦斷開，即比較器輸出為低電平，只要一直保持閉合狀態(tài)，即使J2閉合，比較器輸出也為低，這樣就能保證過流的回路切斷后，在沒有電流的狀態(tài)也能保證NOSFET一直處于關(guān)斷的狀態(tài)。
電路自鎖后，可通過J1來接觸自鎖，將J1斷開，即置J1為高電平，可接觸自鎖。在回路有電流通過時閉合J1，即置J1低電平，電路將處于初始化狀態(tài)。這里，J1可用一路DO信號代替，程控自鎖電路的開關(guān)。
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6 固件實現(xiàn)
本裝置固件方面主要實現(xiàn)對上位機的通信，對上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)進行解析，來控制可配置閾值的設(shè)定和過流自鎖開關(guān)DO的狀態(tài)。
工業(yè)以太網(wǎng)接口通用，支持遠距離傳輸，傳輸速率高且可靠，在多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)中被采用。考慮到以上特點，采用了百兆工業(yè)以太網(wǎng)，TCP／IP協(xié)議。這樣，此裝置也可應(yīng)用到DCS等工業(yè)場合。
固件總體流程圖如圖7所示。
可配置過流保護裝置固件設(shè)計包括2個模塊，初始化模塊和周期運行模塊。
初始化模塊完成板卡上電后各部分的初始配置，如圖8所示。
其中以太網(wǎng)初始化部分，本設(shè)計與上位機通訊采用的ETH總線網(wǎng)絡(luò)使用的是MCU內(nèi)部集成的MAC和PHY，在板卡初始化階段需要對這兩部分進行初始化配置使其滿足ETH網(wǎng)絡(luò)工作要求。
周期模塊完成板卡周期運行的一系列功能，模塊結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。
ETH下行數(shù)據(jù)接收采用周期查詢兩個接收緩沖區(qū)的方式，當查詢新收到ETH下行數(shù)據(jù)幀，則把網(wǎng)絡(luò)接收緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)復制到本地存儲區(qū)ramrxdata并返回接收長度。
解析收到的ETH下行數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)的長度、數(shù)據(jù)包的目的MAC、數(shù)據(jù)包類型及應(yīng)用數(shù)據(jù)的LRC校驗是否有誤，數(shù)據(jù)有誤則丟棄數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)正確則進行數(shù)據(jù)功能解析，根據(jù)功能碼對繼電器執(zhí)行相應(yīng)的操作并對ETH下行數(shù)據(jù)組包，功能碼錯誤也丟棄數(shù)據(jù)包。
將需要發(fā)送到ETH總線上的數(shù)據(jù)復制到網(wǎng)絡(luò)發(fā)送緩沖區(qū)并等待網(wǎng)絡(luò)空閑時發(fā)送，因上位機需求，同一數(shù)據(jù)包連續(xù)發(fā)送多次。
7 結(jié)論
市場上現(xiàn)有的電源保護裝置，保護闞值都是不可配置的，而且大多的保護裝置在過流保護后不可程控其解除鎖定，需重啟裝置才能繼續(xù)工作。文中提出了一種可配置閾值的過流保護裝置，過流鎖定后可通過程序控制接觸鎖定，不需要人為重啟裝置。本裝置為自動功能測試站而設(shè)計，根據(jù)不同的測試對象，設(shè)定不同的過流閾值，能更好的保護產(chǎn)品在測試環(huán)節(jié)不會受到損壞，節(jié)省生產(chǎn)成本。另一方面，電源保護裝置集成在自動功能測試站中，此裝置在過流鎖定后可通過上位機解除鎖定，不必人為去測試站機柜中重啟保護裝置來解除鎖定。操作方便，易實現(xiàn)。
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