一种基于TMS570 的高安全电源模块设计

2023-11-27陈亚都汪利建刘少龙徐叶斌

通信电源技术 2023年18期

刘力，陈亚都，汪利建，刘少龙，徐叶斌

（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

随着民航事业的不断发展，对机载产品的安全性和可靠性要求越来越高。机载计算机作为机载产品，在民用航空飞行器上扮演着重要角色。电源模块作为机载计算机不可缺少的部分，负责将飞机电源系统提供的电能转化为机箱内电子模块能够直接使用的二次电源，为飞机的信息通信、控制等设备提供电能[1,2]。电源模块的供电质量直接影响机载计算机的稳定运行，是保障飞机安全飞行的关键因素[3]。因此，一个高安全可靠的电源模块对机载计算机的稳定运行至关重要。为了提高电源模块的安全性，需要对电源模块进行各种保护设计。常见的电源保护电路采用功能模块级联实现尖峰抑制或过压保护，已不能满足机载设备的安全性要求[4-9]。为保证电源模块安全可靠工作，必须设计多种保护电路[10]。因此，文章设计了一种基于TMS570 的智能多种保护高安全电源模块。

1 设计要求

根据机载计算机要求设计的电源模块需满足如下要求：一是应具有输入滤波和电磁防护功能；二是应具有输入过欠压和浪涌防护功能；三是应实现28 V 输入转换为多路12 V 输出功能；四是应具有掉电指示和掉电保持功能；五是应具有多路输出检测、开关控制、输出保护功能；六是支持通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）接口调试功能。

2 电源架构

电源模块主要包括输入滤波和电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）防护电路、前端输入过欠压及浪涌防护电路、掉电指示及掉电保持电路、功率变换电路、辅助电源电路、输出保护开关及检测电路、核心控制电路和调试电路。电源架构如图1 所示。

图1 电源模块架构

该架构的电源模块主要是将机上28 V 输入电源经过滤波保护、EMI 防护、过欠压及浪涌防护后，到达功率转换电路实现二次电源的转换，把28 V 转换为12 V，再通过输出保护电路通过母版连接器对外进行输出。该架构电源模块拥有掉电指示及掉电保持功能。当检测到输入电压低于设定电压时，电路发出掉电指示信号，并启动掉电保持电路。储能电容对主电路进行放电，保证电路在掉电状态下可以稳定运行400 ms。电源模块可以通过调试电路对微控制器进行调试编程，实现对多路输出状态进行检测和开关的控制，并把监测数据通过FlexRay 总线发送给上位机。

3 电源模块的详细设计

3.1 滤波及EMI 防护电路

电源的输入滤波电路由瞬变电压抑制二极管（Transient Voltage Suppressor，TVS）、穿心磁珠、滤波器以及电感器组成，具体电路设计如图2 所示。

图2 输入滤波电路设计

通过双输入供电的电源首先经过TVS 管进行雷电防护，其次通过磁珠和滤波器进行初步滤波，最后通过电感与电容组成的Π 型滤波器二次滤波。该电路具有良好的电磁防护和滤波功能。

3.2 前端防护电路

电源的前端防护是利用Linear 公司生产的一款型号为LTC4364 的浪涌抑制器设计的。浪涌抑制器的输入电压为4 ～80 V，具有过欠压保护、过流保护、浪涌防护以及防反灌等特点。设计的电路如图3 所示。

图3 前端防护电路

LTC4364 浪涌抑制器的OV 和UV 管脚的基准电压均为1.25 V。当OV 管脚电压大于1.25 V 或者UV管脚电压低于1.25 V 时，抑制器的HGATE 管脚发出低电平信号使MOSFET 开关管M1关断，从而起到过欠压保护的功能。当输入电压夹杂浪涌电压时，抑制器的FB 管脚会引入反馈电压，控制HGATE 管脚的电压输出，使MOSFET 开关管M1的源极电压钳位到设置的安全电压，从而保护后级电路免受浪涌电压而出现损坏。

该保护电路具有过流保护功能。当电路中的电流变大时，感应电阻Rsense两端的压降也会随之变大。抑制器SENSE 管脚和OUT 管脚的典型门槛电压为50 mV，因此可以通过选取不同阻值大小的感应电阻Rsense来设置电路的过流点，从而避免后级电路出现异常造成故障蔓延。电路可以监测SOURCE 管脚和SENSE 管脚的电压大小。当监测到SENSE 管脚电压大于SOURCE 管脚电压时，认为电路出现反灌。抑制器的DGATE 管脚会控制MOSFET 开关管M2关断，从而避免反灌电流对前级电路造成损害。

3.3 掉电指示及保持电路

为满足电路的掉电指示及掉电保持功能，电源模块还设计了掉电指示及保持电路，电路组成如图4所示。

图4 掉电指示及保持电路的组成

当电路开始工作时，供电电路对储能电容进行充电。为了避免充电时出现巨大的冲击电流，充电时需要经过充电限流电路对储能电容充电。当检测到供电电路电压过低时，认为电路出现掉电现象。此时，掉电指示电路开始对外发送掉电指示信号并打开放电控制开关。储能电容通过放电控制开关对外放电，把电能输送进主电路，保证后级设备可以稳定运行一段时间。

3.4 功率变换电路

为了将输入的+28 V 电源转换为设备所需的+12 V 电源，选择LINEAR 公司生产的型号为LTM8054的具有升降压转换功能的功率转换模块。该模块的输入电压为5 ～36 V，输出电压为1.2 ～36 V，功率转换效率可达94%。为了降低功率转换后输出电压的纹波，在功率转换模块输出端设置多个滤波电容，并配合不同容值的陶瓷电容，以实现最小纹波的电压输出，从而提高输出的电压质量。

3.5 辅助电源电路

电源模块除了实现后级设备所需的功率转换之外，需对自身内部的控制电路、驱动电路提供稳定的电能，因此需要设计辅助电源电路。该电源模块设计的辅助电源电路原理如图5 所示。

其中V1为15 V 的稳压管，M1为导通电压为3 V的MOSFET 开关管，R1、R2为限流电阻，C1、C2为滤波电容。当电路开始工作时，稳压二极管V1将输入的28 V 电压钳位到15 V，此时MOSFET 开关管M1的栅极电压为15 V。当M1开始导通时，输出的辅助电源电压UAUX为12 V。为了得到不同驱动电路和控制电路所需的电压，可以将12 V 的辅助电源电压通过相应型号的三端稳压器再次进行转换。

3.6 输出保护开关及检测电路

为了实现对多路输出进行监测和保护控制，采用TI 公司生产的型号为TPS24720RGT 的开关控制器。该控制器的工作电压为2.5 ～18 V，具有输出过欠压保护、过流保护、输出功率保护、电流检测、电压检测以及正常输出指示等功能。设计的输出保护开关及检测电路，如图6 所示。

开关控制器的EN 脚和OV 脚的基准电压均为1.35 V。当EN 脚检测到电压低于1.35 V 或者OV 脚高于1.35 V 时，开关控制器的GATE 管脚都会发低电平关断MOSFET 开关管M1，从而实现过欠压保护。根据芯片手册可知，感应电阻RSENSE两端的电压推荐范围为10～42 mV。当设计电路输出的过流点ILIM为3 A时，可以选择RSENSE为10 mΩ。这时RSENSE两端的压降为30 mV，在推荐范围之内；电阻RSET两端的电压等于RSENSE两端的电压，且流过RSET的电流约为0.5 mA，可以计算获得RSET为60 Ω。RIMON的计算公式为

根据式（1），可以计算电流监测电阻RIMON为1.35 kΩ。

当确定RSENSE后，可以计算输出功率设置电阻的阻值，计算公式为

当设置输出功率上限PLIM为31.25 W 时，可以计算获得RPROG为10 kΩ。

设置R1为91 kΩ、R2为4.7 kΩ、R3为10 kΩ、RSENSE为10 mΩ、RSET为60 Ω、RIMON为1.35 kΩ、RPROG为10 kΩ，即可实现过压点14.26 V、欠压点9.7 V、过流点3 A 以及功率上限31.25 W 的电路参数设计。

此外，可以在印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）管脚接一个发光二极管显示电路的工作状态。当指示灯亮时，电路正常输出；当指示灯熄灭时，电路不工作。可以把图6 中的Umon和Imon信号输入微处理器实时监测电路的输出状态，当监测到输出异常时，微处理器可以给开关控制器的EN 脚输入一个低电平，进而控制GATE 管脚关断M1使电路不输出，实现实时监测电路出现异常时关断电路保护后级设备的功能。

3.7 其他电路

为了实现对电源模块的控制及监测，设计采用TI 公司生产的TMS570 系列微处理器作为电源模块的处理核心。微处理器芯片内存为512 kB，闪存为4 MB，支持40 路模数采集，包含大量的通用输入/输出（General-Purpose Input/Output，GPIO）端口和中断输入/输出（Input/Output，I/O）接口，支持RS-232、FlexRay、控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）以及串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）等通信协议。利用该处理器对电源模块的过压、过流及其他硬件工作状态进行监测和控制，并把监测数据通过FlexRay 接口发送至上位机。

为了调试方便，电源模块设计了专用调试电路。调试电路采用FTDI 公司生产的型号为FT2232HL 的调试芯片，可实现USB 转通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、联合测试工作组（Joint Test Action Group，JTAG）等总线协议，减少了仿真工具使用的种类。