基于DSP的機(jī)載智能電源設(shè)計(jì)

　　摘要 機(jī)載設(shè)備的穩(wěn)定工作離不開(kāi)安全可靠的電源系統(tǒng)。文中研究了一種具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能的電源系統(tǒng)，詳細(xì)討論了智能電源模塊的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)是基于DSP處理器SMJ320F240的電源模塊，采用1+1冗余供電結(jié)構(gòu)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)28 V電壓、負(fù)載電流，進(jìn)行電源開(kāi)關(guān)陣列(PSA)的通斷控制，并與CPU模塊進(jìn)行通訊。

　　機(jī)載設(shè)備的穩(wěn)定工作離不開(kāi)安全可靠的電源系統(tǒng)。隨著機(jī)載設(shè)備綜合化程度的提高，高密度、高可靠電源系統(tǒng)將成為綜合核心處理機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵部分。機(jī)載設(shè)備在工作中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些異常情況，如雷擊、電壓工作不正常、突然斷電等，這些均會(huì)影響機(jī)載設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至?xí)?duì)安全性造成影響。研究設(shè)計(jì)具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)保護(hù)功能的電源系統(tǒng)是必要的。

　　智能管理電源技術(shù)應(yīng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控計(jì)算機(jī)供電運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行故障隔離和控制電源的分配重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)電源余度供電、加電順序控制的智能化管理目標(biāo)。本文以某型通用控制處理機(jī)(UCP)為研究對(duì)象，提出一種適用于機(jī)載電源設(shè)備的智能電源模塊(IPSM)的軟硬件的實(shí)現(xiàn)方法。

　　通用控制處理機(jī)(UCP)智能電源模塊(IPSM)采用機(jī)上與應(yīng)急28 V直流電源雙路供電體制，為UCP機(jī)架內(nèi)的各模塊提供經(jīng)過(guò)濾波、電壓尖峰、過(guò)壓浪涌抑制等處理后滿足GJB181A-2003要求的28 VDC電源，分布在各個(gè)模塊上的供電元件(PSE)將28 V母線電壓轉(zhuǎn)換成各模塊工作所需的5 V、±15 V電壓。每個(gè)UCP配置2個(gè)IPSM，采用1+1冗余供電結(jié)構(gòu)，正常工作時(shí)，由兩個(gè)IPSM給系統(tǒng)供電，當(dāng)其中一個(gè)IPSM模塊故障時(shí)，由另一塊IPSM模塊自動(dòng)接替并獨(dú)立向整個(gè)系統(tǒng)供電。每個(gè)IPSM具備28 V電壓監(jiān)測(cè)、12路電源開(kāi)關(guān)陣列(PSA)通斷控制、12路負(fù)載電流值監(jiān)測(cè)與CPU模塊通訊等功能。

　　1 硬件

　　IPSM模塊主要包含電源轉(zhuǎn)換單元(PCU)、電源管理單元(PMS)和電源開(kāi)關(guān)陣列(PSA)。IPSM的原理框圖如圖1所示。

　　1.1 電源轉(zhuǎn)換單元

　　PCU將機(jī)上28 V輸入電壓轉(zhuǎn)換成直流28 V母板電壓。同時(shí)PCU具有負(fù)載均流和自身故障隔離功能，并為模塊上其它電路提供輔助電源。

　　1.2 電源管理單元(PMS)

　　PMS是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電源智能管理的關(guān)鍵。它主要由電壓調(diào)理電路、電流負(fù)載調(diào)理電路、多路開(kāi)關(guān)、緩沖調(diào)整、A/D轉(zhuǎn)換電路、通訊接口、控制器以及系統(tǒng)管理程序等軟硬件部分等構(gòu)成。PMS的主要功能是根據(jù)28 V電壓檢測(cè)信號(hào)、流過(guò)每路開(kāi)關(guān)的電流信號(hào)，來(lái)完成對(duì)12路LRM模塊的智能供電功能。控制器選用TI公司推出的DSP處理器SMJ320F240HFPM，采用CMOS工藝，片內(nèi)544 W的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，16 kW的Flash程序存儲(chǔ)器，最大可尋址空間為224 kW，包括64 kW的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、64 kW的程序存儲(chǔ)空間和64 kW的IO空間，單指令周期為50 ns，具有1個(gè)8位可編程定時(shí)器，3個(gè)16位可編程定時(shí)器，28個(gè)可編程復(fù)用I/O引腳、鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生器、1個(gè)看門狗和1個(gè)通用異步通訊口。

　　電源管理系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

　　1.3 電源開(kāi)關(guān)陣列(PSA)電路

　　PSA在PMS控制下工作，負(fù)責(zé)接通、斷開(kāi)到機(jī)架中其它LRM模塊的電源供電。其主要完成28 V電源輸出的通/斷、電流檢測(cè)等功能。由于本項(xiàng)目需要12路開(kāi)關(guān)控制和電流檢測(cè)，選用常規(guī)的分立式功率開(kāi)關(guān)元件、驅(qū)動(dòng)電路，不僅電路復(fù)雜，而且占用PCB面積較大，給版圖設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。尤其是驅(qū)動(dòng)電路，需要BOOST電路或電荷泵將驅(qū)動(dòng)信號(hào)升壓到約35 V，才能保證可靠的驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)的通/斷。選用繼電器開(kāi)關(guān)具有隔離功能，易控制、電路簡(jiǎn)單，但繼電器的動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)、反應(yīng)速度慢。

　　為簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，選用將控制、驅(qū)動(dòng)及功率開(kāi)關(guān)集成于一體的集成電路，在此選用英飛凌公司的BTS660P，它集成了電荷泵和n溝道MOS管，具有過(guò)載保護(hù)、電流限制、短路保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、輸出負(fù)壓箝位等功能。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 軟件功能

　　IPSM軟件可提供一套完整的嵌入式應(yīng)用程序軟件，實(shí)現(xiàn)UCP系統(tǒng)的智能供電。IPSM應(yīng)具備多種功能，包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)IPSM的工作狀態(tài);根據(jù)IPSM工作狀態(tài)，控制、驅(qū)動(dòng)12路PSA開(kāi)關(guān)的通、斷。當(dāng)PSA開(kāi)關(guān)流過(guò)電流≥2.5 A時(shí)，切斷輸出并且不可恢復(fù);根據(jù)UCP系統(tǒng)命令控制12路PSA開(kāi)關(guān)的通、斷;提供RS422通訊接口，與CPU模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)/信息通信等。

　　2.2 軟件結(jié)構(gòu)

　　IPSM軟件按功能分為：系統(tǒng)初始化、BIT程序、PSA的管理、RS-422通信、設(shè)備驅(qū)動(dòng)及故障記錄6個(gè)部分，其功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　系統(tǒng)初始化程序完成IPSM的DSP處理器SMJ320F240、串口通信協(xié)議芯片TLS16C552AMHV以及12路PSA的初始化，并為應(yīng)用程序的訪問(wèn)提供支持。

　　BIT程序用于對(duì)IPSM的內(nèi)部硬件資源進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)執(zhí)行階段的不同，將BIT程序分為上電BIT(PUBIT)、周期BIT(PBIT)和維護(hù)BIT(MBIT)。

　　上電BIT(PUBIT)：當(dāng)IPSM接通電源時(shí)或復(fù)位后，IPSM開(kāi)始執(zhí)行PUBIT。

　　周期BIT(PBIT)：PBIT是IPSM進(jìn)入周期任務(wù)后自動(dòng)進(jìn)行的，是對(duì)系統(tǒng)硬件的監(jiān)控。

　　維護(hù)BIT(MBIT)：MBIT是系統(tǒng)在地面，當(dāng)接收到CPU模塊發(fā)送的維護(hù)BIT命令后，對(duì)IPSM進(jìn)行的維護(hù)測(cè)試。

　　對(duì)電源開(kāi)關(guān)陣列(PSA)管理的機(jī)制為：(1)循環(huán)檢測(cè)28 V輸出是否正常。若周期檢測(cè)連續(xù)3次均不正常，關(guān)閉12路電源開(kāi)關(guān)，通過(guò)RS-422接口向CPU模塊發(fā)送故障信息，并記錄故障結(jié)果。(2)循環(huán)檢測(cè)12路各PSA中流經(jīng)各路電流值的大小，并確定各路的動(dòng)作狀態(tài)。若檢測(cè)到Is≥Is max，若任意一路周期檢測(cè)連續(xù)3次均超限時(shí)，應(yīng)關(guān)閉該路電源開(kāi)關(guān)，通過(guò)RS-422接口向CPU模塊發(fā)送故障信息并記錄故障結(jié)果。否則，不關(guān)閉該路PSA開(kāi)關(guān)。