机弹载离散量输出接口设计与技术

惠晓强 秦冲 董凯

摘 要：文章针对机弹载领域离散量输出接口电路的设计和未来的技术发展，介绍了离散量输出电路的基本原理及实现方法，对离散量输出接口处理电路的各种处理电路的实现及优缺点进行对比分析，以HKA2330芯片为例论证了国内外各种集成电路处理离散量信号的芯片架构、功能及其优点，对未来离散量输出接口电路的发展方向提出了思路。

关键词：离散量输出;信号处理;HKA2330;雷电防护;过流保护;过压保护;继电器;FPGA

中图分类号： TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）02-0192-02

机弹载设备等电子系统中，存在大量的负载需要通过离散量信号输出驱动，比如起落架的收放、故障告警指示灯、舱门开关以及自动灭火等。离散量输出电路具有简单、可靠、价格低廉等特点，所以现在的飞机上仍在大量使用。传统上，离散量电路可以通过模拟电路搭建或者直接手动机械操作，随着航空机载计算机和微电子技术的发展，机上所有的控制作动几乎都离不开计算机，通过计算机硬件电路搭建，软件控制实现既定的动作、显示、告警、声音等。因此，安全可靠的离散量输出电路的设计显得越来越重要[1]。

1 机弹载离散量输出接口电路基本原理

机弹载离散量输出类型分为28V/开和地/开，其特点是：直接使用机载28V电源，驱动电路不需要专门回线，对于28V/开信号，负载就近直接使用电源地线或者机体做回线;对于地/开信号，负载就近直接使用电源线;机上的28V电源不是一个稳定的直流电源，需要做相应的抗尖峰浪涌设计。

离散量输出电路主要包括主处理器CPU、I/O接口、隔离驱动、功率驱动、回绕监控、异常保护和雷电防护等，其框架原理图见图1[2]。

机载离散量输出接口电路的组成包括：

1） I/O口：目前的绝大部分CPU或者微控制器等都具有I/O口，CPU在相应的寄存器写入数据，即可实现I/O口的“0或者1”输出，I/O口的状态可以稳定保持，不需要其他支持电路;

2） 隔离驱动：一般CPU自带的I/O口的驱动能力比较小，无法直接驱动后级，另外为了防止外部信号干扰对I/O口的损伤，在I/O口和功率驱动电路之间增加了驱动隔离电路;

3） 功率驱动放大电路：计算机输出的离散量信号都是TTL或CMOS信号，这些信号无法直接驱动负载，功率放大电路将小信号转换为大电流、高电压的信号，以适应系统的需求;

4） 电压转换、异常保护和故障处理电路：当离散量输出接口电路输出的电压出现某种原因的过压和过流时，有可能会对负载或者功率放大电路本身造成损坏，一旦输出超过了设定的电压电流限定值，需要及时做出处理，关断输出以保证安全，同时将故障情况指示汇报给CPU，CPU可以做出故障隔离、处理和记录;

5） 雷电防护电路：机弹载计算机需要对进出机箱的接口信号设计间接雷电防护设计，保证雷击时，接口电路不会损坏，各种接口信号能够正常工作;

6） 输出电路BIT功能：输出电路BIT主要包括电压转换和故障监控、处理电路，它是主处理器CPU对输出信号的状态监控，保证离散量输出信号的正确、稳定和可靠，当出现故障时，可以进一步定位、记录和处理故障。

2 机弹载离散量输出接口电路的设计与实现

根据系统的需求，机弹载离散量输出接口电路一般分为非隔离型和隔离型。隔离型是通过光或者磁隔离，通常用继电器外加驱动保护等电路，实现外部驱动电路与内部控制信号的电气隔离;非隔离型则发展了三代，第一代是通过分立器件与三极管、MOSFET搭建模拟电路，根据系统需要，可以增加电压电流温度监控和故障隔离、切除以及故障记录电路。第二代是小功率驱动集成芯片，数字模拟混合集成电路，片内集成有完善的故障指示和异常保护功能，过流过压保护的大小是固定的，不可更改，故障指示管脚可以方便主机监控芯片的工作状态。第三代是将功率驱动器件与小规模FPGA、Flash存储器結合产生的新一代离散量驱动集成芯片，它与第二代功率驱动集成芯片的最大不同是能够将I2t曲线的参数写入芯片的Flash存储器，FPGA进行控制，协调整个芯片的工作，实现灵活的保护关断时间，而且，当系统需求改变时，也可以随时改变I2t曲线的参数。

2.1 隔离型离散量输出接口电路设计

继电器输出离散量是最常用的电路，该电路由I/O口、隔离驱动电路、小功率MOS管驱动电路、继电器和续流保护二极管组成。隔离锁存电路通常无法驱动继电器，必须通过三极管或者MOS管放大后驱动继电器，继电器输出端产生离散量输出（28V/开或地/开）信号，电阻R用于MOS管的基极保护，二极管用于抑制继电器关断时线圈两端出现的高压，防止打坏MOS管。通过继电器输出离散量的电路原理图见图2。继电器离散量输出的优点是：可以实现内部控制信号与外部电路的电气隔离，电路设计简单，成本较低，输出电流从几十毫安到十几安培的都有，继电器吸合时有声音，可以比较方便地判断电路是否正常工作;缺点是：继电器与分立器件搭建电路，体积、重量较高，继电器的动作时间一般在毫秒级，输出的过流过压和过热保护难以实现，继电器的线圈是感性负载，会对线圈的驱动电源以及地线造成干扰，另外继电器存在触点寿命的问题。

2.2 非隔离型离散量输出接口电路设计

机上的显示、故障告警等LED的驱动只需要几个到几十个毫安的电流，可以直接使用晶体管驱动。它由I/O口、驱动隔离芯片、晶体管电路组成。可以方便地输出28V/开和地/开型离散量，常用的芯片有SG2803、SG2813等。它的优点是：控制简单，驱动电路有货架产品，占用空间小，价格低廉。缺点是：无法实现内外电路的隔离，驱动电流较小，晶体管的过载能力小，需要设计辅助电路进行异常保护。

3 机弹载离散量输出接口电路的保护

通常的离散量输出接口电路，由于某些原因，可能导致输出过压或者过流，因此，需要设计相应的电路进行保护，一种过流保护方法在要求不是很精准的情况下，采用可恢复保险丝进行保护，可恢复保险丝具有过流过热保护和自恢复双重功能。

选用自恢复保险丝的电路的优点是：电路设计简单，占用资源少，缺点是：保护的电流大小无法做到精准，保护电流大小受温度的影响较大，一般工作环境温度是-40℃～85℃，因此，只能做简单的保护，另外无法进行过压保护。

过压保护的方法是：将输出的电压进行分压滤波，由于可能涉及高压大电流等问题，为了安全，用隔离运放调理后送入A/D转换器，然后送入FPGA处理，FPGA内可以存储一个过压的规定值，当采样的电压超过规定值时，在极短时间内输出关断信号，将电子开关关断，从而保护负载不因为过压而被烧坏，具体电路见图3。

过流保护的方法跟过压保护的方法相似，只是需要将被监控的电流转换为电压，因此，需要在负载所在的主回路中串入采样电阻，然后将采样电阻端的电压进行监控，当输出电流超过某个设定的安全值后，进行切断以保护后级负载，过流保护一般是根据过流的电流大小决定切断主电路的时间，即过流电流越大，关断时间约短，过流电流越小，关断时间约长，这就是所谓的I2t曲线，I2t曲线一般需要综合考虑整个系统的电源、电子开关、负载等各个组成的保护特性，有时还需要根据试验数据进行调整。因此FPGA内存储的过流电流数据以及对应的关断时间可能有许多，一般是设计成查表方法，即根据采样的电流值查表确定对应的关断时间，这样才能及时关断电子开关，保护后级负载。比较完善的设计应该同时记录过压过流故障发生的时间、故障电压值、故障次数等，为后续的排故或者分析提供可靠的数据和依据。

这种过压过流的保护方法优点是可靠准确、I2t曲线参数可以灵活设置和更改，控制周期短，一套电路可以同时做到电流电压保护;缺点是系统保护的电路设计复杂，涉及软硬件协调，当保护的负载较多时，这种电路占用软硬件资源较多，为了保证闭环控制的时间，甚至需要每一路保护电路配置一个微处理器，有时系统难以提供。

4 机弹载离散量输出接口电路的新技术

离散量输出接口电路的技术发展方向是单片式集成电路，通过微电子的方法将离散量输出功能、智能保护、故障指示等整合进单片集成芯片内，芯片内集成有完整的自保护功能，大大缩小了离散量输出接口电路的体积、重量和功耗。国外的Intersil公司的HIP系列低边控制器以及英飞凌的BTS系列高边控制器都已经能够实现这些功能，广泛应用于机载设备和工业控制领域。

近年来，国内的元器件研制单位也竞相研制此类复杂的接口电路，某公司研制的HKA2330芯片，其功能类似于BTS410。

HKA2330的内部功能组成包括逻辑电路、电荷泵电平整流器、电压传感器、电压源、ESD防护电路、过流保护、过压保护、门级保护、负载开路检测、感性负载钳位限制、温度传感器以及短路检测等。HKA2330主要应用于：

1） 机弹载环境下20V-48V宽电源范围的接地负载驱动，具有与微处理器兼容的接口，并带有诊断反馈功能;

2） 可以接阻性或感性负载;

3） 代替继电器、熔断器和离散量输出电路等。

机弹载航空电子系统使用单片集成电路设计离散量输出接口电路的优点：

显然，使用集成电路的机弹载离散量输出接口技术比分立器件搭建的电路有了很大提高，但是该集成电路对于过流状态的保护还只能实现固定的电流保护，无法实现I2t曲线参数的灵活调整，因此，可以将微控制器与逻辑电路，功率电路，过流过压保护电路集成在一起，实现该功能，这将是下一代集成离散量输出接口设计研究的方向[3]。

5 结束语

从完全分立元器件搭建到分立元器件与电磁继电器或固态继电器组合搭建，最后发展到单片集成电路设计，从没有异常保护到固定电流的过流保护到灵活的多梯度、多过流点的保护。离散量输出接口设计越来越复杂，应用越来越简单，保护越来越完善，系统的可靠性、可用性越來越高，测试性越来越完善，这也是国家将集成电路列为未来重点发展的高科技的重要原因之一。

参考文献：

[1] 王萌，成书锋，李亚锋.机载计算机内离散量接口功能的设计方法[J].计算机技术与发展，2015，25（2）：207-211.

[2] 蔡叶芳，邵刚，李昶，等.航空离散量输出处理机理及设计实现[J].电子技术应用，2016，42（3）：13-15，19.

[3] 杨峰，索高华，解亚龙.一种基于芯片的离散量接口解决方案[J].电子技术应用，2016，42（3）：16-19.

【通联编辑：唐一东】