基于DSP的機載智能電源設計

　　摘要 機載設備的穩定工作離不開(kāi)安全可靠的電源系統。文中研究了一種具有自動(dòng)監測和保護功能的電源系統，詳細討論了智能電源模塊的軟硬件實(shí)現方法。系統是基于DSP處理器SMJ320F240的電源模塊，采用1+1冗余供電結構，可實(shí)時(shí)監測28 V電壓、負載電流，進(jìn)行電源開(kāi)關(guān)陣列(PSA)的通斷控制，并與CPU模塊進(jìn)行通訊。

　　機載設備的穩定工作離不開(kāi)安全可靠的電源系統。隨著(zhù)機載設備綜合化程度的提高，高密度、高可靠電源系統將成為綜合核心處理機應用的關(guān)鍵部分。機載設備在工作中有時(shí)會(huì )出現一些異常情況，如雷擊、電壓工作不正常、突然斷電等，這些均會(huì )影響機載設備的正常運行，甚至會(huì )對安全性造成影響。研究設計具有自動(dòng)監測及自動(dòng)保護功能的電源系統是必要的。

　　智能管理電源技術(shù)應能實(shí)時(shí)監控計算機供電運行狀態(tài)，進(jìn)行故障隔離和控制電源的分配重構，實(shí)現計算機電源余度供電、加電順序控制的智能化管理目標。本文以某型通用控制處理機(UCP)為研究對象，提出一種適用于機載電源設備的智能電源模塊(IPSM)的軟硬件的實(shí)現方法。

　　通用控制處理機(UCP)智能電源模塊(IPSM)采用機上與應急28 V直流電源雙路供電體制，為UCP機架內的各模塊提供經(jīng)過(guò)濾波、電壓尖峰、過(guò)壓浪涌抑制等處理后滿(mǎn)足GJB181A-2003要求的28 VDC電源，分布在各個(gè)模塊上的供電元件(PSE)將28 V母線(xiàn)電壓轉換成各模塊工作所需的5 V、±15 V電壓。每個(gè)UCP配置2個(gè)IPSM，采用1+1冗余供電結構，正常工作時(shí)，由兩個(gè)IPSM給系統供電，當其中一個(gè)IPSM模塊故障時(shí)，由另一塊IPSM模塊自動(dòng)接替并獨立向整個(gè)系統供電。每個(gè)IPSM具備28 V電壓監測、12路電源開(kāi)關(guān)陣列(PSA)通斷控制、12路負載電流值監測與CPU模塊通訊等功能。

　　1 硬件

　　IPSM模塊主要包含電源轉換單元(PCU)、電源管理單元(PMS)和電源開(kāi)關(guān)陣列(PSA)。IPSM的原理框圖如圖1所示。

　　1.1 電源轉換單元

　　PCU將機上28 V輸入電壓轉換成直流28 V母板電壓。同時(shí)PCU具有負載均流和自身故障隔離功能，并為模塊上其它電路提供輔助電源。

　　1.2 電源管理單元(PMS)

　　PMS是系統實(shí)現電源智能管理的關(guān)鍵。它主要由電壓調理電路、電流負載調理電路、多路開(kāi)關(guān)、緩沖調整、A/D轉換電路、通訊接口、控制器以及系統管理程序等軟硬件部分等構成。PMS的主要功能是根據28 V電壓檢測信號、流過(guò)每路開(kāi)關(guān)的電流信號，來(lái)完成對12路LRM模塊的智能供電功能?？刂破鬟x用TI公司推出的DSP處理器SMJ320F240HFPM，采用CMOS工藝，片內544 W的數據存儲器，16 kW的Flash程序存儲器，最大可尋址空間為224 kW，包括64 kW的數據存儲空間、64 kW的程序存儲空間和64 kW的IO空間，單指令周期為50 ns，具有1個(gè)8位可編程定時(shí)器，3個(gè)16位可編程定時(shí)器，28個(gè)可編程復用I/O引腳、鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生器、1個(gè)看門(mén)狗和1個(gè)通用異步通訊口。

　　電源管理系統原理框圖如圖2所示。

　　1.3 電源開(kāi)關(guān)陣列(PSA)電路

　　PSA在PMS控制下工作，負責接通、斷開(kāi)到機架中其它LRM模塊的電源供電。其主要完成28 V電源輸出的通/斷、電流檢測等功能。由于本項目需要12路開(kāi)關(guān)控制和電流檢測，選用常規的分立式功率開(kāi)關(guān)元件、驅動(dòng)電路，不僅電路復雜，而且占用PCB面積較大，給版圖設計帶來(lái)困難。尤其是驅動(dòng)電路，需要BOOST電路或電荷泵將驅動(dòng)信號升壓到約35 V，才能保證可靠的驅動(dòng)功率開(kāi)關(guān)的通/斷。選用繼電器開(kāi)關(guān)具有隔離功能，易控制、電路簡(jiǎn)單，但繼電器的動(dòng)作時(shí)間較長(cháng)、反應速度慢。

　　為簡(jiǎn)化電路設計，選用將控制、驅動(dòng)及功率開(kāi)關(guān)集成于一體的集成電路，在此選用英飛凌公司的BTS660P，它集成了電荷泵和n溝道MOS管，具有過(guò)載保護、電流限制、短路保護、過(guò)壓保護、過(guò)溫保護、輸出負壓箝位等功能。

　　2 系統軟件設計

　　2.1 軟件功能

　　IPSM軟件可提供一套完整的嵌入式應用程序軟件，實(shí)現UCP系統的智能供電。IPSM應具備多種功能，包括實(shí)時(shí)監測IPSM的工作狀態(tài);根據IPSM工作狀態(tài)，控制、驅動(dòng)12路PSA開(kāi)關(guān)的通、斷。當PSA開(kāi)關(guān)流過(guò)電流≥2.5 A時(shí)，切斷輸出并且不可恢復;根據UCP系統命令控制12路PSA開(kāi)關(guān)的通、斷;提供RS422通訊接口，與CPU模塊進(jìn)行數據/信息通信等。

　　2.2 軟件結構

　　IPSM軟件按功能分為：系統初始化、BIT程序、PSA的管理、RS-422通信、設備驅動(dòng)及故障記錄6個(gè)部分，其功能結構如圖4所示。

　　系統初始化程序完成IPSM的DSP處理器SMJ320F240、串口通信協(xié)議芯片TLS16C552AMHV以及12路PSA的初始化，并為應用程序的訪(fǎng)問(wèn)提供支持。

　　BIT程序用于對IPSM的內部硬件資源進(jìn)行檢測，根據執行階段的不同，將BIT程序分為上電BIT(PUBIT)、周期BIT(PBIT)和維護BIT(MBIT)。

　　上電BIT(PUBIT)：當IPSM接通電源時(shí)或復位后，IPSM開(kāi)始執行PUBIT。

　　周期BIT(PBIT)：PBIT是IPSM進(jìn)入周期任務(wù)后自動(dòng)進(jìn)行的，是對系統硬件的監控。

　　維護BIT(MBIT)：MBIT是系統在地面，當接收到CPU模塊發(fā)送的維護BIT命令后，對IPSM進(jìn)行的維護測試。

　　對電源開(kāi)關(guān)陣列(PSA)管理的機制為：(1)循環(huán)檢測28 V輸出是否正常。若周期檢測連續3次均不正常，關(guān)閉12路電源開(kāi)關(guān)，通過(guò)RS-422接口向CPU模塊發(fā)送故障信息，并記錄故障結果。(2)循環(huán)檢測12路各PSA中流經(jīng)各路電流值的大小，并確定各路的動(dòng)作狀態(tài)。若檢測到Is≥Is max，若任意一路周期檢測連續3次均超限時(shí)，應關(guān)閉該路電源開(kāi)關(guān)，通過(guò)RS-422接口向CPU模塊發(fā)送故障信息并記錄故障結果。否則，不關(guān)閉該路PSA開(kāi)關(guān)。