一种高集成的小功率离散量输出接口设计方案

2023-09-25李阳李军程陶然

电脑知识与技术 2023年22期

李阳，李军，程陶然

（中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，陕西西安 710068)

0 引言

机载系统中大量的继电器、指示灯、开关阀门等需要通过小功率离散量输出信号进行控制，常为负载电流小于100mA 的28V/开、地/开离散量。当前主流的离散量输出接口实现方法仍为基于分立器件搭建电路实现，包括继电器或固态继电器附加分立器件搭建的隔离型电路；三极管、MOSFET 或小功率驱动集成芯片搭建的非隔离型电路[1]。上述实现方法存在集成度低、器件种类多数量大、挤占PCB资源等缺点，同时还需额外设计过流保护及BIT电路。小低轻一直是机载系统设计追求的目标[2]，当前随着半导体技术的飞速发展，采用高集成度的芯片技术是成为实现上述目标的重要手段之一。因此本文提出一种基于高集成度芯片实现的小功率离散量输出接口设计方案。

1 原理设计

本文提出的高集成小功率离散量输出接口电路设计原理框图如图1 所示，使用FPGA 作为整个电路的控制单元，实现离散量输出驱动信号控制、离散量输出回读状态判定及过流状态判定，选用翔腾微电子公司研发的HKA1300和HKA1301两款高集成度离散量输入输出芯片分别实现地/开离散量输出接口及28V/开离散量输出接口的电路设计，该两款芯片的塑封封装尺寸仅6mm×6mm，重量仅实现了电路设计上的高集成。

图1 电路原理框图

HKA1300为一款离散量输入输出接口电路芯片，提供8 路高/开或地/开离散量至TTL 电平转换采集及4路200mA 低边电流输出功能，同时具备过流保护检测信号逻辑输出及离散量采集端口雷电防护功能[3]。在图1中，FPGA提供的输出驱动信号，控制HKA1300输出地或开状态，并将输出通过芯片自带的离散量采集进行回采，将回读状态反馈至FPGA 实现输出接口的BIT 功能，通过过流检测信号检测有无过流从而控制输出驱动电流实现过流保护。

HKA1301为一款离散量输入输出接口电路芯片，提供8 路高/开或地/开离散量至TTL 电平转换采集及4路200mA 高边电流输出功能，同时具备过流保护检测信号逻辑输出及离散量采集端口雷电防护功能[4]。在图1 中，28V 为外部提供的驱动电源，FPGA 提供的输出驱动信号，控制HKA1301 输出28V 或开状态，并将输出通过芯片自带的离散量采集进行回采，将回读状态反馈至FPGA 实现输出接口的BIT 功能，通过过流检测信号检测有无过流从而控制输出驱动电流实现过流保护。

2 电路实现

本文实现的高集成小功率离散量输出接口包括小功率离散量输出功能、过流检测保护功能以及BIT电路等辅助功能。

2.1 小功率离散量输出电路

HKA1300提供4路200mA低边电流输出功能，可实现地/开离散量输出接口。如图2 所示，DRV_n 为地/开离散量输出信号，DSEL_n 是来自FPGA 的输出驱动信号，当该信号为高电平时，HKA1300 内部的功率管(N沟道MOS功率驱动管）导通，DRV_n对外输出“地”状态；当该信号为低电平时，内部的功率管断开，DRV_n对外输出“开”状态。

图2 地/开离散量输出接口

HKA1301提供4路200mA高边电流输出功能，可实现28V/开离散量输出接口。如图3所示。VDRV为外部提供的驱动电源，该驱动电源最大可达50V，设计中采用28V。DRV_n 为28V/开输出信号，DSEL_n是来自FPGA的输出驱动信号，当该信号为高电平时，HKA1301 内部的功率管(P 沟道MOS 功率驱动管）导通，DRV_n 对外输出“28V”状态；当该信号为低电平时，内部的功率管断开，DRV_n对外输出“开”状态。

图3 28V/开离散量输出接口

2.2 过流检测保护机制

HKA1300和HKA1301这两款芯片内部均提供了过流检测保护功能，无须额外设计过流保护电路。

HKA1300能够进行过流检测，其过流检测原理如下：内部的功率管(N沟道MOS 功率驱动管）导通电阻为4.5Ω，当在该导通电阻上产生的压降达到1.5V时，内部的电流检测电路检测到驱动电流大于333mA 且持续时间超过11us 时，输出过流指示状态，图2 中FAULT_n信号为高，此时HKA1300仍处于导通状态，但提供的驱动电流极小（约几个毫安），不会对外部设备及自身造成损坏。

HKA1301能够进行过流检测，其过流检测原理如下：内部的功率管(P 沟道MOS 功率驱动管）导通电阻为4.5Ω，当在该导通电阻上产生的压降达到1.5V时，内部的电流检测电路检测到驱动电流大于333mA 且持续时间超过11us 时，输出过流指示状态，图3 中FAULT_n信号为高，此时HKA1301仍处于导通状态，但提供的驱动电流极小（约几个毫安），不会对外部设备及自身造成损坏。

2.3 BIT电路设计

HKA1300 和HKA1301 均提供8 路高/开或地/开离散量至TTL 电平转换。因此28V/开或地/开离散量输出的BIT电路可直接通过芯片自身提供的离散量采集功能实现[5]。如图4 所示，为HKA1300/HKA1301 芯片的离散量采集内部结构，两款芯片的离散量采集功能一致。设计中可通过配置芯片的SNSE_SEL引脚为上拉或下拉实现高/开或地/开离散量采集选择；配置THS_SEL实现内部或外部阈值电压模式的选择，若选择外部阈值，则需要配置LO_SET 低电平阈值和HI_SET 高电平阈值；VLOGIC 为输出逻辑高电平，一般为与FPGA 匹配的3.3V；SENSE_n 为离散量采集输入端，SO_n为采集状态逻辑输出端。

图4 HKA1300/HKA1301离散量采集内部结构

地/开离散量输出BIT电路的逻辑为：将输出信号DRV_n回采至SENSE_n，当输出回采信号为开路或大于高电平阈值时，则SO_n输出逻辑低电平，当输出回采信号低于低电平阈值时，则SO_n输出逻辑高电平。

28V/开离散量输出BIT电路的逻辑为：将输出信号DRV_n回采至SENSE_n，当输出回采信号为开路或小于低电平阈值时，则SO_n输出逻辑高电平，当输出回采信号高于高电平阈值时，则SO_n输出逻辑低电平。

3 测试验证

为验证本文提出的小功率离散量输出接口的输出、过流保护及BIT功能，在验证板上对该设计进行了验证分析，使用电阻箱作为外部负载，通过调整电阻箱阻值模拟过流工况。测试结果如表1所示，测试结果与预期保持一致。同时该电路已成功应用于某机载电子设备中，准确、可靠地完成了小功率离散量的输出及BIT功能，满足系统指标要求。