基于PIC单片机的固体功率控制器设计

凌　闯

(中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)



基于PIC单片机的固体功率控制器设计

凌闯

(中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

摘要：介绍了一种新型的固体功率控制器；介绍了基于PIC单片机的固体功率控制器的功能和工作原理以及硬件设计和软件设计。

关键词：固体功率控制器；设计；PIC单片机

1引言

随着全电/多电飞机的发展，国内外先进飞机的配电系统已由常规配电向固体配电发展。常规配电采用热保护开关、继电器、接触器、断路器等机电式器件对负载控制，其优点是技术成熟、器件工作稳定，缺点是电路过流、短路等故障响应较慢，不能实现负载的自动管理。因此必须采用新技术实现配电系统的匹配发展，固体配电技术应运而生。该技术以微型计算机为控制中心，通过多路传输和固体功率控制器(SSPC)来控制和保护负载，这种配电方式大大提高了配电系统的自动化和可靠性，实现了负载的自动管理功能，是今后配电系统的发展趋势。

固体功率控制器是集断路器保护功能和固体继电器转换功能于一体的智能开关装置，分为直流和交流固体功率控制器两种，具有开关速度快、无触点、无电弧、电磁干扰小以及便于计算机控制等特点。

2功能和工作原理

固体功率控制器作为先进飞机配电系统中的重要配电设备，主要用于接通或关断用电设备的电源，同时还具有过载保护功能和自检测功能，指示负载是否已经发生跳闸或出现了故障，取代了常规配电的机械开关。

固体功率控制器除了具有偏置电路、隔离电路、驱动电路、输出电路部分外，还有取样和信号处理、保护和故障判断(控制单元)、状态反馈等电路。图1为固体功率控制器内部功能框图。

图1　固体功率控制器内部功能框图

固体功率控制器通过取样和信号处理电路将输出端出现的过载、短路异常情况传送到故障判断电路(控制单元)；根据控制算法控制输出关断，达到保护固体功率控制器的目的，同时由状态输出端输出。

在正常工作时，控制输入信号经隔离电路，将信号加到驱动电路，控制输出电路的接通或关断。

当电流过载时，通过取样和信号处理电路，将过载信息反馈到控制单元电路，控制单元电路根据过载电流超过额定电流值的倍数，进行判断、延时，在延时时间内过载未消除，将跳闸关断输出，同时反馈到跳闸状态端和负载状态端。

当短路时，通过取样和信号处理电路，控制单元电路监测到短路信号，通过判断，并及时关断输出，同时反馈到负载状态端和跳闸状态端。

3硬件设计

过载保护设计是固体功率控制器设计的核心部分，主要包括取样、信号处理电路和控制单元电路设计。采用负载电流的电阻取样法进行固体功率控制器过载、短路电流的检测；采用Microchip公司的PIC12F675单片机进行固体功率控制器过载、短路保护控制。

3.1　取样和信号处理电路

常用的电流检测方式一般有基于磁场的检测方法和基于分流器的检测方法。基于磁场的检测方法(以电流互感器和霍尔传感器为代表)具有良好的隔离和较低的功率损耗等优点，但它的缺点是体积较大，线性以及温度特性不理想。在本产品中，固体功率控制器过载、短路电流的检测，采用输出回路中串联电阻进行电流取样方式。过载、短路保护电阻取样方案原理框图见图2。

图2　过载、短路保护电阻取样方案原理框图

输出回路中串联取样电阻将增大固体功率控制器的输出电压降。如果输出电压降增加太多，固体功率控制器的输出电压降增大、功耗增大。不过，基于取样分辨率的考虑，电阻的阻值也不允许太低。

为了能够进行正常A/D转换，得到最好的A/D精度和分辨率，需要对取样信号进行处理。在硬件设计时必须尽可能地让取样信号的动态变化变换到0～5V的电压后再送给单片机进行A/D转换。

3.2　控制单元电路

在固体功率控制器控制单元电路设计中，我们采用PIC12F675单片机进行控制。PIC12F675单片机是8引脚8位单片机，其引脚示意图如图3所示。

图3　PIC12F675引脚示意图

PIC12F675单片机技术性能具有以下优点：

(1)哈拂总线结构。PIC系列单片机在架构上采用了与众不同的哈拂总线结构，在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并采用不同的宽度，便于实现指令提取的“流水作业”；便于实现全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高CPU执行指令的速度，确保数据的安全性。

(2)精简指令集(RISC)技术。指令系统只有35条指令，容易学习、记忆、理解，也给程序的编写、阅读、调试、修改、交流带来极大的便利，可谓“易学好用”。

(3)寻址方式简单。只有寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址4种寻址方式，比较容易理解和掌握。

(4)PIC12F675芯片具有模数转换器(A/D)模块、模拟比较器模块等，并有外接电路简洁、开发方便、可用嵌入式C语言编程、可实现在线串行编程(ICSPTM)、程序保密性强等特点。

当固体功率控制器过载或短路时，通过取样和信号处理电路，输出一个与负载电流成正比的模拟电压信号，模数转换器(A/D)将采样到的模拟电压信号转换成数字信号，通过预先编制的软件程序实现在不同过载或短路电流下，不同跳闸时间的判断，控制功率输出管的驱动电路，达到关断输出的目的。

4软件设计

固体功率控制器的过载跳闸时间控制根据过载电流大小进行时间控制，即过载电流越大，跳闸时间越短，也就是反时限过流保护。一般来说，I2t形状的跳闸曲线是保护系统的最佳选择。这是因为线路的功率损耗等于线阻与负载电流平方的乘积，而线路的温度是由线耗时间长短决定的，这样在相同时间内线路的温度与电流的平方成正比。

软件流程包括初始化程序、延时子程序、A/D转换子程序和数据处理子程序等。软件流程图如图4所示。

图4　软件流程

在软件设计方面，设置了门槛对采样信号进行数字滤波。由于A/D转换需要一定的时间，所以在软件设计时需考虑一定的延时。

5结论

通过试验验证，固体功率继电器的逻辑控制正确，负载过流短路保护响应速度快，并能长时间保持运行可靠。

基于PIC单片机的固体功率继电器的研制，突破了传统的配电模式，实现了负载的自动管理和远程控制，大大提高了配电系统的可靠性。

参考文献

[1]张明峰.PIC单片机入门与实践.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[2]Microchip Technology Inc. PIC12F629/675.www.microchip.com.DS41190C.

[3]刘超等.KGG-1M型固体功率控制器.机电元件，2011.2.

A Design of Solid State Power Controller Based on

PIC Monolithic Computer

Ling Chuang

(The 40th Institute of CETC)

Abstract：Presented is a new solid state power controller that is based on PIC monolithic computer. Described are operating principle and functions of the controller, also, designs are provided for its hardware and software.

Keywords：solid state power controller, design, PIC monolithic computer

中图分类号：TN784

文献标识码：A

文章编号：1000-6133(2015)03-0009-03

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.03.003

收稿日期：2015-04-20