专利名称：一种直流固态功率控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固态功率控制器，特别是一种保护算法由硬件电路实现的可通过外部编程的直流固态功率控制器。
背景技术：
固态功率控制器是利用固态开关-MOSFET通断实现传统配电单元中继电器和过载保护器功能的开关控制器。固态功率控制器依据对母线电缆“热记忆”理论，检测母线线缆温度，在母线过流情况下，针对不同的母线电流在规定的时间范围内，实现母线跳闸。固态功率控制器，相对于传统继电器和过载保护器，优势在于1、可针对不同的母线电流灵活的控制跳闸保护时间2、可反馈母线电流异常信息和负载状态目前的固态功率控制器，尤其是多路固态功率控制器，多采用软件编程的方式计算过载跳间时间。但是，由于软件编程的失误或存储器的耐辐照特性差，使得软件算法的固态功率控制器在对环境适应性要求高的场所应用受到质疑。基于硬件电路实现算法的固态功率控制器，由于不依靠存储器提取数据，在恶劣的环境条件下依然可以正常工作。现有的分离元件搭建的固态功率控制器电路，使用分离的芯片，实现多芯片板级集成。由于使用的芯片单元均为通用芯片，固态功率控制器将受限于芯片的体积和功耗，难以实现小型化和低功耗要求。例如固态功率控制器中必备模块乘法器，通用芯片是8角DIP 封装，且静态功耗为lOOmW。发明专利US6125024A公开了一种外部可编程固态功率控制器；该固态功率控制器包括逻辑隔离模块、电流源模块、逻辑控制模块、振荡器和带隙基准模块、光耦隔离模块、 MOSFET保护模块、上电复位模块、负载状态模块、MOSFET驱动与限流模块、MOSFET保护模块、I2RC模块。当芯片产生跳闸信号后，通过拉低ENABLE信号，使得驱动限流模块的OPl输出高电平，从而打开电流源111，使得111与112产生向芯片内部灌入的静而关闭MOSFET。 电流1. 6mA。此1. 6mA的电流将泻放功率MOSFET栅源电荷，从但是如果这么处理异常关断环节，将无法在短时间内，如IOOus的时间内关断M0SFET。从而无法满足快速关断的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种关断快速、环境适应性高的直流固态功率控制器。本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的一种直流固态功率控制器，包括控制芯片，功率M0SFET、电源模块、开关状态检测模块、光耦隔离模块、电阻&及其它芯片外器件；控制芯片包括逻辑控制模块、输出驱动模块、带隙基准模块、负载状态模块、上电复位模块、I2T过流保护模块、MOSFET保护模块、 MOSFET驱动和限流模块；功率MOSFET和电阻&串联于母线上；其特征在于，控制芯片还包括短路判断模块；控制芯片实时监测流过电阻&的母线电流，当母线电流过流倍数超过I2T 过流保护下限阈值后，I2T过流保护模块按照反时限算法产生过流跳闸信号I2T_TRIP ；当过流倍数超过短路保护阈值后，短路判断模块产生短路跳间信号SC_TRIP ；当过流倍数超过 MOSFET保护阈值时，MOSFET驱动和限流模块产生MOSFET保护使能信号MP_ENA ；当过流倍数超过限流阈值后，MOSFET驱动和限流模块限制电流增长；MOSFET保护模块在控制信号MP 的控制下产生跳闸信号MP_TRIP ；逻辑控制模块根据上位机传输的控制信号COM，和通过外部可编程端口输入的驱动逻辑电平使能信号C0MEN，结合I2T过流保护模块产生的跳闸信号I2T_TRIP、M0SFET保护模块产生的跳闸信号MP_TRIP、短路判断模块产生的跳闸信号SC_TRIP、M0SFET驱动和限流模块产生的MP_ENA信号，输出控制MOSFET驱动和限流模块的使能信号ENA、M0SFET保护模块的控制信号MP、和跳闸信号TRP ；上述使能信号ENA送入MOSFET驱动和限流模块，用于控制MOSFET的正常开关过程；上述跳闸信号TRP送入MOSFET驱动和限流模块，在母线电流过流倍数超过一定阈值后， 用于关闭MOSFET ；输出驱动模块根据负载状态模块产生的负载状态信号ISTATUS、逻辑控制模块产生的跳闸信号TRP、上电复位模块输出的复位信号RESET，输出负载状态信号STATUS和跳闸信号TRIP。I2T过流保护模块将母线电流平方后输入RC充电网路，实现反时限算法；通过更改控制芯片外配置的电阻&2、Rti或Riv的阻值可实现I2T过流保护下限阈值倍数的硬件编程；通过更变电阻氏、电容Ci的值可实现I2T保护曲线形状的硬件编程。通过更改控制芯片外配置的电阻I^istat可实现负载状态模块判断阈值的硬件可编程。通过更改控制芯片外配置的可实现短路保护阈值的硬件可编程。通过更改控制芯片外配置的电阻Rmp、电容Cmp实现对MOSFET保护模块的跳闸信通过更改控制芯片外配置的电阻Rell和Rel2实现MOSFET限流阈值的硬件可更改。MOSFET驱动和限流模块包括放大器0P2，所述使能信号ENA作为放大器0P2的使能信号，用于控制MOSFET的正常开关过程；跳闸信号TRP与MOSFET驱动和限流模块中的三极管Q20相连；当跳闸信号TRP为高电平时，三极管Q20导通，实现MOSFET的关断。所述电源模块产生高电压和低电压；高电压供给上电复位模块、MOSFET驱动和限流模块；低电压供给逻辑控制模块、MOSFET保护模块、输出驱动模块、带隙基准模块、负载状态模块、上电复位模块、MOSFET驱动和限流模块、I2T过流保护模块和短路判断模块。上电复位模块包括高压控制模块和低压控制模块；电源模块上电时，在低电压大于第一电压后，低压控制模块使得与低电压相连的各模块正常工作；在低电压大于第一电压后，并且高电压大于第二电压高压后，上电复位模块使得MOSFET驱动和限流模块输出正常的功率MOSFET栅极驱动电压；电源模块掉电时，当低电压小于第三电压时，上电复位模块产生低电平的复位信号RESET，用于锁存跳闸信号TRP和负载状态信号ISTATUS信号。本发明与现有技术相比具有如下优点(1)本发明的固态功率控制器通过内部全定制模拟集成电路芯片，实现了器件的小型化，低功耗，高可靠，并提高了控制器的环境适应性。控制芯片的静态功耗仅不到2mW， 芯片的总面积也仅为1. IcmXl. Icm0由此可见，基于ASIC技术的固态功率控制器在体积和功耗方面较分离元件搭建的电路有明显优势。且从可靠性方面考虑，单一芯片从信号内部传递和工艺制作一致性方面，都是分离元件搭建的系统所不能比拟的。(2)与以往的控制芯片相比，本发明在控制芯片内部产生TRP信号后，直接短路 MOSFET栅源两端，从而达到迅速关闭(在IOOus内关断)M0SFET的效果。(3)相对于US6125024A，本发明增加了短路判断模块，通过内置短路电压比较器， 为母线电流在10倍过流内提供短路保护，使本发明的固态功率控制器更可靠。(4)较发明专利US6125024A，本发明通过增加可编程端口输入驱动逻辑电平使能信号C0MEN，使得控制芯片可在不同条件下接收高电平或低电平的驱动信号。避免了接收单一驱动电平的控制芯片还需在外部增加电平转换芯片，减小了由外部电平转换芯片带来的系统功耗，提高了实用性。
图1基于全定制集成电路芯片(ASIC)技术实现的直流固态功率控制器原理框图；图2本发明的固态功率控制器芯片及其芯片外器件电路框图；图3为MOSFET驱动和限流模块的原理框图；图4为MOSFET保护模块的原理框图；图5为I2T过流保护模块的原理框图；图6为I2T过流保护曲线；图7为短路判断模块的原理框图；图8为逻辑控制和输出驱动模块的原理框图；图9为负载状态模块的原理框图；图10为上电复位模块原理框图。
具体实施例方式下面结合具体实例介绍固态功率控制器的硬件可编程功能。如图1所示，本发明的直流固态功率控制器包括基于全定制集成电路芯片(ASIC) 技术实现的控制芯片(SSPC ASIC)、电源模块、开关状态检测模块、光耦隔离模块、功率 M0SFET、电流探测电阻&、及其它芯片外器件。外部供电电压为28V直流电压，经电源模块隔离处理为12V和5V的电源供控制芯片使用。控制芯片作为固态功率控制器的核心元件， 负责接收上层系统的控制信号，反馈母线电流状态、负载状态和MOSFET开关状态。当电阻 Rs两端电压值超过阈值电压(或者说母线电流的电流倍数超过一定阈值后)，控制芯片产生跳闸信号，关断M0SFET，并反馈负载状态。反馈信号经光耦隔离可传递至上层控制系统。 上层控制系统发送的控制信号也将经光耦隔离传送至控制芯片中。MOSFET管的开关状态可经开光状态检测模块反馈输入到上层控制系统。控制芯片可分为逻辑控制模块、输出驱动模块、MOSFET保护模块、MOSFET驱动和限流模块、上电复位模块、带隙基准模块、短路判断模块、负载状态模块和I2T过流保护模块。如图2所示，低压电源+5V(作为后续电路中的VCC，与图2中的P5端相连)供给芯片的逻辑控制模块、MOSFET保护模块、输出驱动模块、带隙基准模块、负载状态模块、上电复位模块、MOSFET驱动和限流模块、I2T过流保护模块和短路判断模块。高压电源+12V(作为后续电路中的VDD，与图2中的P5端相连)供给MOSFET驱动和限流模块。固态功率控制器的保护功能由I2T过流保护模块、短路判断模块、控制逻辑模块、MOSFET驱动和限流模块、 和MOSFET保护模块共同完成。控制芯片实时监测流过电阻&的母线电流。当母线电流过流倍数超过I2T保护下限阈值后，芯片中的I2T过流保护模块首先工作，按照反时限算法产生过流跳闸信号I2T_TRIP。当过流倍数超过短路保护阈值后，短路判断模块同I2T过流保护模块一同工作，产生短路跳闸信号SC_TRIP。当过流倍数超过MOSFET保护阈值时，MOSFET驱动和限流模块产生MOSFET保护使能信号MP_ENA ；当过流倍数超过限流阈值后，MOSFET驱动和限流模块限制电流增长，防止因过流倍数太大烧毁功率MOSFET ；MOSFET保护模块根据逻辑控制模块输出的控制信号MP产生跳闸信号MP_TRIP ；逻辑控制模块接收通过上位机传输的COM，并根据COMEN信号的电平，结合I2T过流保护模块产生的跳闸信号I2T_TRIP、M0SFET 保护模块产生的跳闸信号MP_TRIP、短路判断模块产生的跳闸信号SC_TRIP、M0SFET驱动和限流模块产生的MP_ENA信号，输出控制MOSFET驱动和限流模块的ENA信号、MOSFET保护模块的控制信号MP、和跳闸信号TRP。上述使能信号ENA送入MOSFET驱动和限流模块，用于控制MOSFET的正常开关过程；上述跳闸信号TRP送入MOSFET驱动和限流模块，在母线电流过流倍数超过一定阈值后，用于关闭MOSFET ；从而达到固态功率控制器智能配电功能。输出驱动模块根据负载状态模块产生的ISTATUS信号、逻辑控制模块产生的跳闸信号TRP、上电复位模块输出的复位信号RESET，输出负载状态信号STATUS和跳闸信号TRIP。芯片内部产生的TRIP和STATUS信号能够满足驱动芯片外部的光耦隔离模块的需要，即能输出4mA 的电流。本发明中的母线电流过流倍数均为与母线额定电流值相比的倍数。芯片检测母线电流额定值是预设参数。此参数可由芯片反馈端口 P16输入的最小电压值和探测电阻Rs 决定的。下面举例说明本发明的固态功率控制器的保护功能在母线电流超过母线额定电流1. 14倍至5倍的情况下芯片I2T保护模块启动，根据预设的反时限曲线，结合母线具体过流倍数在规定时间范围内产生正确的跳闸信号I2T_ TRIP。在母线电流超过母线额定电流5倍至9倍的情况下芯片I2T保护模块仍在工作， 工作流程如1过程。在此阶段，芯片中的短路判断模块启动。I2T保护模块和短路判断模块产生的跳闸信号都可以使芯片跳闸。当母线电流超过阈值电流6倍后，芯片的MOSFET保护模块也将使能，产生MP_TRIP跳闸信号。由此可见，在第二阶段，芯片的保护功能将由3个模块功能冗余完成。相对于US6125024A，本发明增加了短路判断模块，通过内置短路电压比较器，更可靠的为母线电流在10倍过流内提供短路保护。而在US6125024A专利，类似功能只能在母线电流过流21倍才起作用。而在真实的配电系统中，即使出现了由于供电电压不稳定的情况导致的母线电流尖峰，也极少的情况会遇到母线电流过流21倍的情况。在母线电流过流倍数超过母线额定电流9倍的情况下，上述2过程的3个保护模块仍然正常工作，芯片通过MOSFET驱动与限流模块可提供限流保护，此功能在SSPC通用规范中，定为SSPC器件保护功能。通过降低MOSFET栅源电压，增大MOSFET内阻，可将出现异常情况的母线电流限制在过流10倍的电流值。为芯片保护模块产生TRIP信号，控制MOSFET 关断母线中负载与电压的通路争取时间。此功能可以解决现有功率控制器对快速升高的母线电流不能提供有效保护的问题。
上述母线电流过流倍数，可以根据实际需要进行调整。下面具体介绍控制芯片中各模块的工作原理。1、MOSFET驱动和限流模块图3所示为MOSFET驱动和限流模块的电路原理框图，具体组成为电阻Rs的一端接芯片管脚P16，再连接电阻R9。经过电阻R9后分别连接于比较器CMP3的正输入端、放大器0P2的正输入端和电容Cotp的一端。功率MOSFET的栅极经电阻Rsrose连接至电阻I SU)PE的一端，电的另一端与电容Cs_串联；经芯片管脚P17连接至电流源I 7和电流源19 的一端。电源VCC分别连接Rai和Ra2。Rai连接三极管Q18的发射极。三极管Q18的基极连接于其集电极和三极管Q19的发射极。三极管Q18的基极连接于三极管Q17的基极。三极管Q17的发射极通过管脚P19连接Ra2，集电极连接Q19的基极和电流源110。电流源IlO 另一端连接芯片地。三极管Q19的集电极连接于放大器0P2的负相输入端和电阻R11的一端。电阻R11的另一端连接于比较器CMP 3的负相输入端和电阻Iiltl的一端。跳闸信号TRP 连接至三极管Q20的基极。三极管Q20的集电极连接至P17管脚，其发射极连接至芯片地。正常关断过程当放大器0P2的使能信号ENA是低电平时，放大器0P2的输出端被I 8电流源拉高，从而完全开启19。由17和19两个电流源产生的净电流通过RmqsJP &■对功率MOSFET 栅源电容和电容Csote放电。开启过程当放大器0P2的使能信号ENA为高电平，并且放大器的正向输入端小于反向输入端时，放大器0P2输出低电平，从而关断19。17通过Rsrose和I^sujpe对功率MOS管栅极和电容 Csote充电，当栅极电压大于MOSFET开启电压时，MOSFET开启。限流保护过程如果流过电阻Rs的电流过流倍数超过限流阈值，放大器0P2正向输入端的电压值大于反向输入端的电压值VTH2时，放大器0P2将输出正电压。而放大器0P2的输出端电压值决定了 19输出的电流值。如0P2输出为OV时，19 = (^;0 2输出为2.5￥时，19 = ImA ； 当0P2输出为5V时，19 = 2mA。当放大器0P2输出正向电压时，19将部分开启，从而使得驱动模块产生灌入电流，导致MOSFET栅极电压下降，从而实现限流保护功能。上述工作完全可依靠电阻Rs电压与MOSFET栅源电压值的负反馈实现。即降低MOSFET栅源电压，会提高MOSFET内阻，从而降低母线电流，使得电阻Rs电压值降低，直至电阻Rs两端电压值等于 VTH2。限流保护电压VTH2的计算方法如下
权利要求
1.一种直流固态功率控制器，包括控制芯片，功率M0SFET、电源模块、开关状态检测模块、光耦隔离模块、电阻&及其它芯片外器件；控制芯片包括逻辑控制模块、输出驱动模块、 带隙基准模块、负载状态模块、上电复位模块、I2T过流保护模块、MOSFET保护模块、MOSFET 驱动和限流模块；功率MOSFET和电阻&串联于母线上；其特征在于，控制芯片还包括短路判断模块；控制芯片实时监测流过电阻&的母线电流，当母线电流过流倍数超过I2T过流保护下限阈值后，I2T过流保护模块按照反时限算法产生过流跳闸信号I2T_TRIP ；当过流倍数超过短路保护阈值后，短路判断模块产生短路跳闸信号SC_TRIP ；当过流倍数超过MOSFET 保护阈值时，MOSFET驱动和限流模块产生MOSFET保护使能信号MP_ENA ；当过流倍数超过限流阈值后，MOSFET驱动和限流模块限制电流增长。MOSFET保护模块在控制信号MP的控制下产生跳闸信号MP_TRIP ；逻辑控制模块根据上位机传输的控制信号COM，和通过外部可编程端口输入的驱动逻辑电平使能信号C0MEN，结合I2T过流保护模块产生的跳闸信号I2T_TRIP、M0SFET保护模块产生的跳闸信号MP_TRIP、短路判断模块产生的跳闸信号SC_TRIP、M0SFET驱动和限流模块产生的MP_ENA信号，输出控制MOSFET驱动和限流模块的使能信号ENA、M0SFET保护模块的控制信号MP、和跳闸信号TRP ；上述使能信号ENA送入MOSFET驱动和限流模块，用于控制MOSFET的正常开关过程；上述跳闸信号TRP送入MOSFET驱动和限流模块，在母线电流过流倍数超过一定阈值后，用于关闭 MOSFET ；输出驱动模块根据负载状态模块产生的负载状态信号ISTATUS、逻辑控制模块产生的跳闸信号TRP、上电复位模块输出的复位信号RESET，输出负载状态信号STATUS和跳闸信号 TRIP。
2.如权利要求1所述的直流固态功率控制器，其特征在于I2T过流保护模块将母线电流平方后输入RC充电网路，实现反时限算法；通过更改控制芯片外配置的电阻I T2、RT1或Riv 的阻值可实现I2T过流保护下限阈值倍数的硬件编程；通过更变电阻氏、电容Ci的值可实现 I2T保护曲线形状的硬件编程。
3.如权利要求1所述的直流固态功率控制器，其特征在于通过更改控制芯片外配置的电阻Ristat可实现负载状态模块判断阈值的硬件可编程。
4.如权利要求1所述的直流固态功率控制器，其特征在于通过更改控制芯片外配置的可实现短路保护阈值的硬件可编程。
5.如权利要求1所述的直流固态功率控制器，其特征在于通过更改控制芯片外配置的电阻Rmp、电容Cmp实现对MOSFET保护模块的跳闸信号MP_TRIP产生时间的更改。
6.如权利要求1所述的直流固态功率控制器，其特征在于通过更改控制芯片外配置的电阻Rell和R。12实现MOSFET限流阈值的硬件可更改。
7.如权利要求1所述的直流固态功率控制器，其特征在于=MOSFET驱动和限流模块包括放大器0P2，所述使能信号ENA作为放大器0P2的使能信号，用于控制MOSFET的正常开关过程；跳闸信号TRP与MOSFET驱动和限流模块中的三极管Q20相连；当跳闸信号TRP为高电平时，三极管Q20导通，实现MOSFET的关断。
8.如权利要求1所述的直流固态功率控制器，其特征在于所述电源模块产生高电压和低电压；高电压供给上电复位模块、MOSFET驱动和限流模块；低电压供给逻辑控制模块、MOSFET保护模块、输出驱动模块、带隙基准模块、负载状态模块、上电复位模块、MOSFET驱动和限流模块、I2T过流保护模块和短路判断模块。
9.如权利要求8所述的直流固态功率控制器，其特征在于上电复位模块包括高压控制模块和低压控制模块；电源模块上电时，在低电压大于第一电压后，低压控制模块使得与低电压相连的各模块正常工作；在低电压大于第一电压后，并且高电压大于第二电压高压后，上电复位模块使得MOSFET驱动和限流模块输出正常的功率MOSFET栅极驱动电压；电源模块掉电时，当低电压小于第三电压时，上电复位模块产生低电平的复位信号RESET，用于锁存跳闸信号TRP和负载状态信号ISTATUS信号。
全文摘要
本发明涉及一种直流固态功率控制器，可适用于不同功率等级的配电系统。该器件由基于全定制专用集成电路芯片为核心的信号处理单元、电源隔离单元、信号隔离单元、功率MOSFET和串联于母线上的电阻组成。器件接收驱动开关信号，实现串联于母线的MOSFET开通或关断，并具有母线负载检测、限流保护、过流保护、短路保护和器件自保护功能，且可以通过改变硬件电路实现多个保护参数。本发明固态功率控制器所有功能均由内部硬件电路实现，驱动MOSFET信号和保护信号由全定制集成电路生成。故该器件抗干扰性强，反应时间少，结构设计简单，具有高可靠、低功耗和轻小型等特点。
文档编号H02H7/22GK102570412SQ20111046083
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者唐侃, 朱灵允, 杨帆, 赵英凯 申请人:中国航天时代电子公司, 航天时代电子技术股份有限公司