采用IEEE 1451.2的智能傳感器獨立接口設計

2.2 基于UCC3918的熱插拔控制電路

　　為了能在測控網(wǎng)絡(luò )中方便地添加、撤除和更換傳感器模塊，IEEE 1451.2協(xié)議智能傳感器接口模塊具有即插即用的能力。這使得傳感器獨立接口電路的設計要考慮熱插拔過(guò)程帶來(lái)的瞬時(shí)電流的影響。當智能傳感器接口模塊插入網(wǎng)絡(luò )適配器時(shí)，網(wǎng)絡(luò )適配器已經(jīng)處于穩定工作狀態(tài)，所有電容都已充滿(mǎn)了電，智能傳感器接口模塊是不帶電的，電容里面沒(méi)有電荷。因此，當智能傳感器接口模塊接觸網(wǎng)絡(luò )適配器時(shí)，由于給智能傳感器接口模塊上的電容充電會(huì )產(chǎn)生很大的瞬時(shí)電流。同樣，帶電的智能傳感器接口模塊從網(wǎng)絡(luò )應用適配器上拔出時(shí)，由于旁路電容放電，在帶電的智能傳感器接口模塊和網(wǎng)絡(luò )適配器之間形成一條低阻通路，這樣也會(huì )導致產(chǎn)生大的瞬時(shí)電流[3]。嚴重情況下，熱插拔過(guò)程中較大的瞬時(shí)電流會(huì )使電源電壓出現瞬時(shí)跌落，導致系統復位，甚至導致連接件、電子元件和電路板連線(xiàn)的損壞。

　　為了系統的安全可靠運行，必須抑制過(guò)大的瞬時(shí)電流。為此在接口電路的設計中采用了UCC3918芯片。UCC3918低電阻熱交換功率控制器是TI公司生產(chǎn)的一款熱插拔控制器。UCC3918的工作電壓為3～6 V，具有低達0.06 Ω的導通電阻，最高限幅電流可達5 A。只需配備很少的外圍器件，UCC3918就能提供完整的電源管理、熱插拔限流功能和斷路器功能。

　　UCC3918芯片的基本工作原理是：當輸出電流低于最大允許電流值IMAX時(shí)，UCC3918工作在低阻抗導通狀態(tài)。當輸出電流大于最大允許電流或者故障電流門(mén)限值時(shí)，保持電路導通；同時(shí)，故障計時(shí)器向電容CT充電，一旦電容CT電壓達到預設門(mén)限值，將關(guān)斷電流輸出30倍充電時(shí)間。輸出電流降到最大允許電流值以下時(shí)，UCC3918從開(kāi)關(guān)狀態(tài)回到低電阻導通狀態(tài)。UCC3918還提供了快速過(guò)流保護，當電流急速越過(guò)故障電流門(mén)限值時(shí)，快速過(guò)流保護會(huì )關(guān)斷電流輸出。在電路短路等極端條件下，此功能為器件提供有效保護。

　　UCC3918的應用設計方案如圖3所示，通過(guò)合理地選擇2個(gè)電阻和2個(gè)電容的值，就可以達到有效抑制瞬時(shí)電流的目的。

圖3 基于UCC3918的熱插拔控制電路圖

　　其中，RIFAULT參考式(1)設置：

式中，ITRIP為故障電流門(mén)限值。RIMAX參考式⑵設置：R

式中，IMAX為最大負載電流。TII設置電流門(mén)限值時(shí)，IMAX設為智能傳感器接口模塊正常負載電流的1.2~1.5倍，故障電流IFAULT設為智能傳感器接口模塊正常負載電流的4倍，CT取一倍負載電容。

　　為了驗證上述設計的有效性，對TII接口做了實(shí)驗驗證，結果如表2所列。一組實(shí)驗條件是沒(méi)有熱插拔控制電路，另一組實(shí)驗條件是使用了UCC3918熱插拔控制器。作為負載的智能傳感器接口模塊的正常工作電流是650 mA。具備熱插拔功能的TII接口，其最大瞬時(shí)電流為2.0 A，約為正常工作電流的3倍。如果不設計熱插拔控制電路，瞬時(shí)電流將近是正常電流的5倍。這可能會(huì )導致系統電源瞬時(shí)電壓跌落或損壞器件。

表2 最大瞬時(shí)電流對照表

　　圖4是熱插拔的電流波形對比圖。上面是啟動(dòng)熱插拔控制電路的電流波形，下面是未啟動(dòng)熱插拔控制電路的電流波形。

圖4 熱插拔電流波形對比圖

結語(yǔ)

　　本文介紹了基于IEEE 1451.2協(xié)議的智能傳感器獨立接口部分的設計和實(shí)現，并通過(guò)實(shí)驗驗證了熱插拔控制功能的有效性，所設計的接口已經(jīng)應用于電力系統傳感器網(wǎng)絡(luò )中。