遠端設備過流檢測及保護裝置的設計及實現(xiàn)

張皓然, 趙　霞, 徐年豐, 賈海航

(1.同濟大學 電信學院,上?！?01804; 2.上海華太數(shù)控技術有限公司,上海　225020)

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遠端設備過流檢測及保護裝置的設計及實現(xiàn)

張皓然1, 趙霞1, 徐年豐2, 賈海航1

(1.同濟大學 電信學院,上海201804; 2.上海華太數(shù)控技術有限公司,上海225020)

摘要：數(shù)字多點系統(tǒng)是一種傳輸多制式移動通信信號和以太網(wǎng)信號,用于解決移動信號室內(nèi)覆蓋問題的設備。在數(shù)字多點系統(tǒng)中有數(shù)量龐大的遠端設備分布在信號覆蓋地的機房內(nèi),而機房內(nèi)的溫度、濕度等因素會導致設備的自激、氧化甚至短路問題,需要引入過流保護裝置以提高遠端設備的安全性。傳統(tǒng)過流保護措施如保險絲、熱敏電阻等具有維護困難、靈敏度和精度低等問題。本文在嚴密設計和大量實驗的基礎上,采用555定時器實現(xiàn)了一種“打嗝”型的過流保護裝置,不僅很好地解決了上述問題,而且在設備過流狀態(tài)下還具有很高的關斷時間與導通時間比,進一步提高了過流保護裝置的可靠性。經(jīng)實驗驗證表明,設計是合理有效的。

關鍵詞：過流保護裝置; 電流檢測電路; 555定時器; 單穩(wěn)態(tài)電路

1概述

數(shù)字多點系統(tǒng)旨在改善樓宇內(nèi)部移動通信質(zhì)量以及對一些信號盲區(qū)的信號覆蓋,系統(tǒng)主要由三部分組成:多信源接入單元(Multi-source Access Unit,MAU)、拓展單元(Extended Unit,EU)、遠端單元(Repeater Unit,RU)。其中MAU與基站傳輸信號、與EU通過光纖傳輸數(shù)據(jù),RU通過五類線與EU傳輸數(shù)據(jù)。MAU的8個光接口可以連接8個EU,而每個EU的8個電接口可以連接8個RU。多制式的移動通信信號經(jīng)過MAU、EU、RU在基站和終端用戶間傳輸[1]。數(shù)字多點系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1　數(shù)字多點系統(tǒng)架構圖Fig.1　Architecture of digital multicast system

由于RU的工作環(huán)境較為惡劣,過高的溫度會導致設備自激,過高的濕度會導致設備部件氧化、短路,而這些現(xiàn)象及過電壓均會造成供電電流過大,若沒有過流保護措施,會干擾整個系統(tǒng)的正常通信、導致通信設備部件的損壞,甚至還可能釀成火災、危及人身安全。另外,遠端設備還具有如下特點:a、安裝位置分散,維護成本高;b、設備上元器件的短路耐量非常小,要求過流保護裝置要具有非?？斓捻憫俣群途?c、為了保障鏈路正常通信,要求過流保護裝置具有自恢復功能。

目前,常見的過流保護方案有:a、保險絲;b、電阻初級保護;c、基極驅(qū)動電路的過流保護。保險絲可分為傳統(tǒng)保險絲和自恢復保險絲兩類。傳統(tǒng)保險絲因為具有簡單經(jīng)濟的特點,目前應用仍然較為廣泛,但是一次保護后需要更換保險絲才能恢復供電。自恢復保險絲雖然不需要反復更換,但與傳統(tǒng)保險絲一樣,選擇性差且精度和可靠性差。

電阻初級保護指PTC熱敏電阻保護[2]。它是由具有很大的正溫度系數(shù)的半導體材料制成,正常情況下其阻值很小,當電阻體溫度達到一定溫度,其阻值會呈指數(shù)式增長。將其串入電流回路,當熱敏電阻中電流過大時,其電能轉(zhuǎn)化成的熱能會使熱敏電阻體溫度迅速升高,從而指數(shù)式增長的阻值會使供電回路電流顯著降低。當溫度降低后,阻值也恢復正常,可以重復使用。受生產(chǎn)工藝的限制,及容易受環(huán)境溫度影響,精度不高。由于是對溫度進行響應,所以響應時間、恢復時間都較長,功耗有時也不能忽略。

基極驅(qū)動電路的過流保護原理圖如圖2電路正常工作時,負載電流IL流過電阻RS產(chǎn)生的壓降不足以使PNP型三極管Q1導通(截止狀態(tài)),比較器的輸出為低電平。當負載側電流IL增加,達到設定值,使得三極管Q1導通,經(jīng)電阻R2給電容C1充電,其充電時間常數(shù)τ1=(R2∥R3)C1。當VC1所產(chǎn)生的偏壓大于比較器反相端電壓時,比較器輸出高電平。通過控制開關晶體管斷開供電回路。當過載現(xiàn)象解除后,電路自動恢復到正常工作狀態(tài)。雖然該電路具有快速響應的特點,但為提高關斷時間和導通時間比,需要R2阻值不宜過大且R3選擇高阻值。但實際在過流狀態(tài)時,VCC需要另外向R2提供電流,在最不恰當?shù)臅r間增大了供電電源的輸出功率。

圖2　基極驅(qū)動電路過流保護原理圖Fig.2　Base driving circuit of over-current protection

綜上所述,遠端設備RU的過流保護裝置的設計和實現(xiàn)是非常必要和重要的。本文從提高對遠端設備RU的流保護的精度和響應速度出發(fā),以555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)電路為核心以及外圍模擬電路設計了一種響應速度更快、安全性和精度更高的過流保護裝置。此方案不僅具有響應速度快、精度高、自恢復的特點,而且整個控制回路與供電回路隔離,不需要VCC供電。

本文結構安排如下:第一節(jié)介紹了數(shù)字多點系統(tǒng)及遠端設備RU過流保護的必要性和意義;目前常用的幾種過流保護方案及本文的工作內(nèi)容。第二節(jié)為過流保護裝置的系統(tǒng)設計方案及重點設計內(nèi)容。第三節(jié)對過流保護系統(tǒng)的響應速度和精度進行了驗證。最后為小結,并指出系統(tǒng)的不足及改進之處。

2過流保護裝置的系統(tǒng)設計

2.1過流保護工作原理

本文所示的過流保護系統(tǒng)分為檢測電路、控制電路、執(zhí)行機構3個部分,分別起到檢測電路電流、控制輸出脈沖寬度、關斷供電回路的作用,電路如圖3所示。

圖3　555定時器過流保護原理圖Fig.3　Over-current protection circuit based on 555 timer

圖3中555定時器(MIC1555YD5)、電阻R8和電容C4組成單穩(wěn)態(tài)電路[3]。當555定時器管腳4的電平低于Vs/3時,管腳3輸出一個矩形脈沖,脈沖寬度為tw=1.1R8C4。48V電源經(jīng)檢測電阻RS和場效應管PMOS給負載RLoad供電。芯片INA200內(nèi)部集成有運算放大器(G=20 V/V)和高速比較器。其中運算放大器采集電阻RS兩端的電壓并放大,放大后的電壓經(jīng)外圍模擬電路處理后接入INA200的管腳3,即INA200內(nèi)部比較器的輸入端。假定負載電流門限值為Ith,那么當實際的負載電流大于Ith時,INA200管腳6輸出高電平,三極管Q1由截止狀態(tài)變?yōu)轱柡蛯顟B(tài)。555定時器管腳4電位由5 V降為低電平,即飽和狀態(tài)管壓降(約為0.3 V)。555定時器管腳3輸出的矩形脈沖會使三極管Q2由截止狀態(tài)變?yōu)轱柡蛯顟B(tài),使三極管Q3由飽和導通狀態(tài)變?yōu)榻刂範顟B(tài),繼而PMOS的柵源間的電壓差降為0 V,從而使PMOS管截止,關斷供電回路。關斷時間即為矩形脈沖寬度,之后供電回路恢復正常;若過流現(xiàn)象不消除,則重復上述過程,即產(chǎn)生“打嗝”現(xiàn)象。

2.2檢測電路

在數(shù)字多點系統(tǒng)中,RU為恒定功率80 W的負載,電源電壓為48 V,在33 V～60 V的電源電壓輸出范圍內(nèi)RU都可以恒功率工作。根據(jù)公式P=UI可以得到對應的輸出電流范圍為:

(1)

一般情況下,過流保護門限定為正常值的110%-130%,門限值設定為Ith=1.1×80/33=2.7A。

檢測電路(圖4)由INA200芯片及外圍模擬電路組成。芯片INA200內(nèi)部集成有運算放大器(G=20V/V)和電壓比較器各一片。其中運算放大器用來放大檢測電阻Rs兩端的電壓。電壓比較器反相端接有0.6V基準電壓源,運算放大器的輸出電壓U2在電流達到門限值時應該大于0.6 V。在盡量不影響PMOS漏極端的輸出電壓和減少檢測電阻功耗的情況下,根據(jù)歐姆定理和功率計算公式,取檢測電阻Rs為12 mΩ。當電流達到過流門限值時:

U2=32.4mV×20=0.648V>0.6V

(3)

由(2)和(3)可知,滿足設計要求。

由于比較器采用開漏輸出[4](OD)的方式,為了提高帶載能力,輸出端需要外接上拉電阻R5。

圖4　檢測電路Fig.4　Detecting circuit

適當選取R3、R4和C2的值,當回路電流達到過流門限值2.7 A時,U2穩(wěn)態(tài)值為0.6 V并保證其具有較小的延遲時間。

2.3控制電路

555定時器內(nèi)部集有數(shù)字、模擬電路,它不僅用于信號的產(chǎn)生和變換,還常用于控制和檢測電路中[3]。圖5為555定時器實現(xiàn)的是一個單穩(wěn)態(tài)電路。555定時器內(nèi)部由SR鎖存器、電壓比較器以及由電阻分壓器等幾部分構成[5]。當TRG有觸發(fā)負脈沖時,Q=0,則VO=1同時給電容充電,當電容電壓達到2Vs/3時,Q=1,從而VO=0。當TRG沒有觸發(fā)信號時(VTRG>Vs/3),若接通電源時Q=0,則VO=1同時給電容充電,當VTRH>Vs/3時,輸出VO翻轉(zhuǎn)為0且保持不變;若接通電源時Q=1,則輸出VO=0且保持不變。由此可見,接通電源后電路只有一種穩(wěn)定狀態(tài)VO=0。

圖5　使用555頂死起組成的單穩(wěn)態(tài)電路Fig.5　Monostable circuit based on 555 timer

由前述內(nèi)容可知,當電流達到過流門限值后,555定時器接收到一個觸發(fā)脈沖(負脈沖,小于Vs/3),使得管腳3輸出高電平,對電容C4充電;當電容充電達到2Vs/3時,管腳3由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平,即端腳3輸出一個矩形正脈沖。

設脈沖寬度為τw:

(4)

(5)

當端腳3電平變?yōu)榈碗娖胶?電容C4會通過二極管D1進行快速放電,以保證下一次輸出的脈沖寬度。另外,端腳4的觸發(fā)脈沖的電平低于Vs/3的時間需要小于端腳3輸出的脈沖寬度[6],這是因為555定時器芯片內(nèi)部的控制邏輯涉及到RS鎖存器,當端腳4的觸發(fā)脈沖的電平低于Vs/3的時間大于端腳3輸出的脈沖寬度,會違反RS鎖存器正常工作的約束條件,從而會使整個電路誤動作。

在控制電路中二極管D1的作用是十分重要的,因為當電阻R8的阻值非常大時,如果不使用二極管的話,那么電容C4的放電的時間常數(shù)非常大(τ2=R8C4),導致電容在還沒有充分放電的情況下,第二次過流保護動作可能就已經(jīng)開始了,則電容的充電時間會縮短,即PMOS的關斷時間減小,導致關斷時間和導通時間比值明顯變大,如圖6所示。

圖6　不使用二極管時管腳3的波形圖Fig.6　Waveform of pin3 without the diode

2.4執(zhí)行部分

執(zhí)行電路如圖7所示,在電路正常工作條件下,三極管Q2截止、Q3導通,電阻R11和R12為PMOS管提供穩(wěn)定的電壓偏置,確保PMOS管可靠導通。在Q2截止時,電源VS通過電阻R11為Q3提供基極電流。適當選擇電阻阻值,使得三極管Q2、Q3導通時為飽和狀態(tài),且當Q3飽和導通時,PMOS柵極的和源極之間的壓差UGS≤-4V。當管腳3輸出高電平后,三極管Q2導通,Q3截止,繼而PMOS關斷。

圖7　執(zhí)行電路Fig.7　Actuating circuit

在PMOS管的漏極和地之間的續(xù)流二極管D2的其作用是消除PMOS突然關斷時由感性負載產(chǎn)生的反向電壓沖激:當PMOS管關斷后,感性負載中的電流不能瞬間變化,而PMOS存在一個輸出電容,與感性負載并聯(lián)產(chǎn)生了諧振,這是極其不利的現(xiàn)象,如圖8所示:

圖8　場效應管PMOS關斷時產(chǎn)生振蕩Fig.8　Waveform of drain with PMOS power-off

為了消除這種不利的影響,使用一個續(xù)流二極管D2。當PMOS關斷后,感性負載和D2形成回路,這樣就不會形成負向的脈沖,也消除了振蕩,實驗結果如圖9所示。

圖9　引入續(xù)流二極管后PMOS關斷時漏極的電壓波形圖Fig.9　Waveform of drain with freewheeling diode

3實驗驗證

實驗驗證環(huán)節(jié)使用可調(diào)電阻模擬遠端設備RU的過流狀態(tài)。系統(tǒng)由48V的電壓源供電,調(diào)節(jié)電阻阻值使其逐漸減小,當電流大于2.7A時,過流保護裝置開始動作,經(jīng)反復驗證,過流保護裝置工作穩(wěn)定,滿足一定的精度要求,且具有較大且可調(diào)的關斷時間與導通時間比,如圖11所示。為了驗證過流保護裝置的響應速度,借助示波器的兩個探頭同時觀測放大器輸出端(藍色)和三極管Q3基極(黃色)的電壓波形,如圖12所示。

圖11　PMOS管漏極電壓波形Fig.11　Waveform of drain of PMOS

圖12　放大器輸出端和三極管Q3基極的電壓波形Fig.12　Waveforms of pin6 of INA200 and base of Q3

4結束語

過流保護裝置是提高通信鏈路中遠端設備RU可靠性、安全性的必要組成部分,鑒于遠端設備RU上的元器件的短路耐量非常有限,所以過流保護裝置的響應速度、精度和可靠性是整個設計的關鍵所在。本設計方案中以555定時器實現(xiàn)的過流保護裝置具有相當?shù)捻憫?且響應速度僅為硬件電路的時延即20 us左右。

在本設計中的執(zhí)行機構選擇PMOS管實現(xiàn)。雖然可以簡化電路設計,但是其也有價格昂貴,替換種類少以及導通電阻較NMOS管大等缺點;如果選用NMOS管,則需要Vgsth>0,所以需要配以相應的自舉電路[7]來實現(xiàn),但是也增加了電路設計的復雜性。

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張皓然男(1991-),碩士研究生,主要研究方向為控制工程等。

趙霞女(1974-),內(nèi)蒙古人,博士,主要研究方向為系統(tǒng)建模、辨識與估計；自適應控制算法等。

Remote Device Design and Realization of the Over-current Detection and ProtectionZHANGHaoran1,ZHAOXia1,XUNianfeng2,JIAHaihang1

(1.School of Electronics and Information Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China;

2.Shanghai Huatai Numerical Control Technology Co.,LTD,Shanghai 225020,China)

Abstract：Digital multicast system,a kind of devices that can transmit multi-standard communication signals and Ethernet signals,is used to solve the problem of indoor coverage.In multicast systems,there is a large number of remote equipment distributed among the areas where signals cover,and the temperature,humidity and other factors in equipment room can lead equipment to self-excitation,oxidation,and even short circuit problem.Under the circumstances,introducing in over-current protection device to improve the security of the remote device is urgently needed.Traditional over-current protection measures such as fuses or thermal resistors are difficult to maintain and the sensitivity and accuracy is rough.On the basis of rigorous design and a large number of experiments,a kind of "hiccups" type over-current protection device is realized by using 555 timers.This newly designed devise not only solved the deficiency of traditional measures very well,but also has a very high ratio between conduction time and close time in the condition of equipment over-flow,which further improve the reliability of overcurrent protection device.It has been verified by the experiment that the design is reasonable and effective.

Key words：overcurrent protection device; current sensing circuit; 555 timer; monostable circuit

中圖分類號：TN 710

文獻標識碼：A