采用IEEE 1451.2的智能傳感器獨(dú)立接口設(shè)計(jì)

2.2 基于UCC3918的熱插拔控制電路

　　為了能在測(cè)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(dú)立接口電路的設(shè)計(jì)要考慮熱插拔過程帶來的瞬時(shí)電流的影響。當(dāng)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(wěn)定工作狀態(tài)，所有電容都已充滿了電，智能傳感器接口模塊是不帶電的，電容里面沒有電荷。因此，當(dāng)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(yīng)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(dǎo)致產(chǎn)生大的瞬時(shí)電流[3]。嚴(yán)重情況下，熱插拔過程中較大的瞬時(shí)電流會(huì)使電源電壓出現(xiàn)瞬時(shí)跌落，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位，甚至導(dǎo)致連接件、電子元件和電路板連線的損壞。

　　為了系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，必須抑制過大的瞬時(shí)電流。為此在接口電路的設(shè)計(jì)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(dá)0.06 Ω的導(dǎo)通電阻，最高限幅電流可達(dá)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(dāng)輸出電流低于最大允許電流值IMAX時(shí)，UCC3918工作在低阻抗導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)輸出電流大于最大允許電流或者故障電流門限值時(shí)，保持電路導(dǎo)通；同時(shí)，故障計(jì)時(shí)器向電容CT充電，一旦電容CT電壓達(dá)到預(yù)設(shè)門限值，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從開關(guān)狀態(tài)回到低電阻導(dǎo)通狀態(tài)。UCC3918還提供了快速過流保護(hù)，當(dāng)電流急速越過故障電流門限值時(shí)，快速過流保護(hù)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(hù)。

　　UCC3918的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案如圖3所示，通過合理地選擇2個(gè)電阻和2個(gè)電容的值，就可以達(dá)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(shè)置：

式中，ITRIP為故障電流門限值。RIMAX參考式⑵設(shè)置：R

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

　　為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的有效性，對(duì)TII接口做了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如表2所列。一組實(shí)驗(yàn)條件是沒有熱插拔控制電路，另一組實(shí)驗(yàn)條件是使用了UCC3918熱插拔控制器。作為負(fù)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(shè)計(jì)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(dǎo)致系統(tǒng)電源瞬時(shí)電壓跌落或損壞器件。

表2 最大瞬時(shí)電流對(duì)照表

　　圖4是熱插拔的電流波形對(duì)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(duì)比圖

結(jié)語

　　本文介紹了基于IEEE 1451.2協(xié)議的智能傳感器獨(dú)立接口部分的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了熱插拔控制功能的有效性，所設(shè)計(jì)的接口已經(jīng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中。