一種基于TMS570 的高安全電源模塊設計

劉 力，陳亞都，汪利建，劉少龍，徐葉斌

（中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

隨著民航事業的不斷發展，對機載產品的安全性和可靠性要求越來越高。機載計算機作為機載產品，在民用航空飛行器上扮演著重要角色。電源模塊作為機載計算機不可缺少的部分，負責將飛機電源系統提供的電能轉化為機箱內電子模塊能夠直接使用的二次電源，為飛機的信息通信、控制等設備提供電能[1,2]。電源模塊的供電質量直接影響機載計算機的穩定運行，是保障飛機安全飛行的關鍵因素[3]。因此，一個高安全可靠的電源模塊對機載計算機的穩定運行至關重要。為了提高電源模塊的安全性，需要對電源模塊進行各種保護設計。常見的電源保護電路采用功能模塊級聯實現尖峰抑制或過壓保護，已不能滿足機載設備的安全性要求[4-9]。為保證電源模塊安全可靠工作，必須設計多種保護電路[10]。因此，文章設計了一種基于TMS570 的智能多種保護高安全電源模塊。

1 設計要求

根據機載計算機要求設計的電源模塊需滿足如下要求：一是應具有輸入濾波和電磁防護功能；二是應具有輸入過欠壓和浪涌防護功能；三是應實現28 V 輸入轉換為多路12 V 輸出功能；四是應具有掉電指示和掉電保持功能；五是應具有多路輸出檢測、開關控制、輸出保護功能；六是支持通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口調試功能。

2 電源架構

電源模塊主要包括輸入濾波和電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）防護電路、前端輸入過欠壓及浪涌防護電路、掉電指示及掉電保持電路、功率變換電路、輔助電源電路、輸出保護開關及檢測電路、核心控制電路和調試電路。電源架構如圖1 所示。

圖1 電源模塊架構

該架構的電源模塊主要是將機上28 V 輸入電源經過濾波保護、EMI 防護、過欠壓及浪涌防護后，到達功率轉換電路實現二次電源的轉換，把28 V 轉換為12 V，再通過輸出保護電路通過母版連接器對外進行輸出。該架構電源模塊擁有掉電指示及掉電保持功能。當檢測到輸入電壓低于設定電壓時，電路發出掉電指示信號，并啟動掉電保持電路。儲能電容對主電路進行放電，保證電路在掉電狀態下可以穩定運行400 ms。電源模塊可以通過調試電路對微控制器進行調試編程，實現對多路輸出狀態進行檢測和開關的控制，并把監測數據通過FlexRay 總線發送給上位機。

3 電源模塊的詳細設計

3.1 濾波及EMI 防護電路

電源的輸入濾波電路由瞬變電壓抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS）、穿心磁珠、濾波器以及電感器組成，具體電路設計如圖2 所示。

圖2 輸入濾波電路設計

通過雙輸入供電的電源首先經過TVS 管進行雷電防護，其次通過磁珠和濾波器進行初步濾波，最后通過電感與電容組成的Π 型濾波器二次濾波。該電路具有良好的電磁防護和濾波功能。

3.2 前端防護電路

電源的前端防護是利用Linear 公司生產的一款型號為LTC4364 的浪涌抑制器設計的。浪涌抑制器的輸入電壓為4 ～80 V，具有過欠壓保護、過流保護、浪涌防護以及防反灌等特點。設計的電路如圖3 所示。

圖3 前端防護電路

LTC4364 浪涌抑制器的OV 和UV 管腳的基準電壓均為1.25 V。當OV 管腳電壓大于1.25 V 或者UV管腳電壓低于1.25 V 時，抑制器的HGATE 管腳發出低電平信號使MOSFET 開關管M1關斷，從而起到過欠壓保護的功能。當輸入電壓夾雜浪涌電壓時，抑制器的FB 管腳會引入反饋電壓，控制HGATE 管腳的電壓輸出，使MOSFET 開關管M1的源極電壓鉗位到設置的安全電壓，從而保護后級電路免受浪涌電壓而出現損壞。

該保護電路具有過流保護功能。當電路中的電流變大時，感應電阻Rsense兩端的壓降也會隨之變大。抑制器SENSE 管腳和OUT 管腳的典型門檻電壓為50 mV，因此可以通過選取不同阻值大小的感應電阻Rsense來設置電路的過流點，從而避免后級電路出現異常造成故障蔓延。電路可以監測SOURCE 管腳和SENSE 管腳的電壓大小。當監測到SENSE 管腳電壓大于SOURCE 管腳電壓時，認為電路出現反灌。抑制器的DGATE 管腳會控制MOSFET 開關管M2關斷，從而避免反灌電流對前級電路造成損害。

3.3 掉電指示及保持電路

為滿足電路的掉電指示及掉電保持功能，電源模塊還設計了掉電指示及保持電路，電路組成如圖4所示。

圖4 掉電指示及保持電路的組成

當電路開始工作時，供電電路對儲能電容進行充電。為了避免充電時出現巨大的沖擊電流，充電時需要經過充電限流電路對儲能電容充電。當檢測到供電電路電壓過低時，認為電路出現掉電現象。此時，掉電指示電路開始對外發送掉電指示信號并打開放電控制開關。儲能電容通過放電控制開關對外放電，把電能輸送進主電路，保證后級設備可以穩定運行一段時間。

3.4 功率變換電路

為了將輸入的+28 V 電源轉換為設備所需的+12 V 電源，選擇LINEAR 公司生產的型號為LTM8054的具有升降壓轉換功能的功率轉換模塊。該模塊的輸入電壓為5 ～36 V，輸出電壓為1.2 ～36 V，功率轉換效率可達94%。為了降低功率轉換后輸出電壓的紋波，在功率轉換模塊輸出端設置多個濾波電容，并配合不同容值的陶瓷電容，以實現最小紋波的電壓輸出，從而提高輸出的電壓質量。

3.5 輔助電源電路

電源模塊除了實現后級設備所需的功率轉換之外，需對自身內部的控制電路、驅動電路提供穩定的電能，因此需要設計輔助電源電路。該電源模塊設計的輔助電源電路原理如圖5 所示。

其中V1為15 V 的穩壓管，M1為導通電壓為3 V的MOSFET 開關管，R1、R2為限流電阻，C1、C2為濾波電容。當電路開始工作時，穩壓二極管V1將輸入的28 V 電壓鉗位到15 V，此時MOSFET 開關管M1的柵極電壓為15 V。當M1開始導通時，輸出的輔助電源電壓UAUX為12 V。為了得到不同驅動電路和控制電路所需的電壓，可以將12 V 的輔助電源電壓通過相應型號的三端穩壓器再次進行轉換。

3.6 輸出保護開關及檢測電路

為了實現對多路輸出進行監測和保護控制，采用TI 公司生產的型號為TPS24720RGT 的開關控制器。該控制器的工作電壓為2.5 ～18 V，具有輸出過欠壓保護、過流保護、輸出功率保護、電流檢測、電壓檢測以及正常輸出指示等功能。設計的輸出保護開關及檢測電路，如圖6 所示。

開關控制器的EN 腳和OV 腳的基準電壓均為1.35 V。當EN 腳檢測到電壓低于1.35 V 或者OV 腳高于1.35 V 時，開關控制器的GATE 管腳都會發低電平關斷MOSFET 開關管M1，從而實現過欠壓保護。根據芯片手冊可知，感應電阻RSENSE兩端的電壓推薦范圍為10～42 mV。當設計電路輸出的過流點ILIM為3 A時，可以選擇RSENSE為10 mΩ。這時RSENSE兩端的壓降為30 mV，在推薦范圍之內；電阻RSET兩端的電壓等于RSENSE兩端的電壓，且流過RSET的電流約為0.5 mA，可以計算獲得RSET為60 Ω。RIMON的計算公式為

根據式（1），可以計算電流監測電阻RIMON為1.35 kΩ。

當確定RSENSE后，可以計算輸出功率設置電阻的阻值，計算公式為

當設置輸出功率上限PLIM為31.25 W 時，可以計算獲得RPROG為10 kΩ。

設置R1為91 kΩ、R2為4.7 kΩ、R3為10 kΩ、RSENSE為10 mΩ、RSET為60 Ω、RIMON為1.35 kΩ、RPROG為10 kΩ，即可實現過壓點14.26 V、欠壓點9.7 V、過流點3 A 以及功率上限31.25 W 的電路參數設計。

此外，可以在印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）管腳接一個發光二極管顯示電路的工作狀態。當指示燈亮時，電路正常輸出；當指示燈熄滅時，電路不工作?？梢园褕D6 中的Umon和Imon信號輸入微處理器實時監測電路的輸出狀態，當監測到輸出異常時，微處理器可以給開關控制器的EN 腳輸入一個低電平，進而控制GATE 管腳關斷M1使電路不輸出，實現實時監測電路出現異常時關斷電路保護后級設備的功能。

3.7 其他電路

為了實現對電源模塊的控制及監測，設計采用TI 公司生產的TMS570 系列微處理器作為電源模塊的處理核心。微處理器芯片內存為512 kB，閃存為4 MB，支持40 路模數采集，包含大量的通用輸入/輸出（General-Purpose Input/Output，GPIO）端口和中斷輸入/輸出（Input/Output，I/O）接口，支持RS-232、FlexRay、控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）以及串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）等通信協議。利用該處理器對電源模塊的過壓、過流及其他硬件工作狀態進行監測和控制，并把監測數據通過FlexRay 接口發送至上位機。

為了調試方便，電源模塊設計了專用調試電路。調試電路采用FTDI 公司生產的型號為FT2232HL 的調試芯片，可實現USB 轉通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、聯合測試工作組（Joint Test Action Group，JTAG）等總線協議，減少了仿真工具使用的種類。

4 結 論

針對機載產品高安全、高可靠性指標，設計了一種基于TMS570 的高安全智能電源模塊設計架構，包含電源模塊所需的各種功能子電路設計。測試驗證表明，該電源模塊工作穩定，順利通過了各種電源鑒定試驗，可為后續的電源模塊設計提供參考。