通過采用CPLD芯片實(shí)現(xiàn)對MOSFET器件電路的保護(hù)設(shè)計(jì)

1.概述

功率MOSFET最初是從MOS集成電路發(fā)展起來的，它通過增加源漏橫向距離提高器件耐壓，從而實(shí)現(xiàn)集成電路中高壓驅(qū)動[1].功率MOSFET已大量應(yīng)用于電力電子，消費(fèi)電子、汽車電子和水聲工程等領(lǐng)域。雖然功率MOSFET具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、便于數(shù)字化控制等優(yōu)點(diǎn)，但是其采用的電力電子器件對過壓過流的承受能力較差，容易燒毀，因此保護(hù)電路的設(shè)計(jì)非常重要，并且要求保護(hù)響應(yīng)時間做到微秒級[2].功率MOSFET保護(hù)主要是指過流保護(hù)，對于過壓的情況一般采用吸收電路來進(jìn)行抑制。

在水聲發(fā)射機(jī)功率MOSFET的設(shè)計(jì)和使用中，常常由于輸入信號的異常和環(huán)境干擾，而導(dǎo)致功率放大器容易燒毀。

針對功率MOSFET易受損或燒壞的情況，在水聲發(fā)射機(jī)應(yīng)用中專門設(shè)計(jì)了一種以CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）為核心器件的可編程保護(hù)電路。目前CPLD已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。它具有體系結(jié)構(gòu)/邏輯單元靈活、處理速度快、集成度高、可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模電路、編程靈活、設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、開發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定、可實(shí)時在線檢驗(yàn)以及適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此逐步被應(yīng)用于各類保護(hù)電路設(shè)計(jì)中[3].

鑒于CPLD的諸多優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用單獨(dú)CPLD芯片為核心，不需要單片機(jī)或DSP進(jìn)行控制，來解決以MOSFET為核心的大功率發(fā)射機(jī)激勵信號異?；蚬收纤鶐淼膰?yán)重問題，為發(fā)射機(jī)的MOSFET電路的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到保護(hù)作用。CPLD保護(hù)電路在輸入高電平長脈沖、連續(xù)信號和短周期脈沖等典型異常信號情況下，通過簡單改變代碼參數(shù)就可以防止異常的信號進(jìn)入到后級損壞功率MOSFET,實(shí)現(xiàn)對電路的保護(hù)作用。

2.功率MOSFET基本原理

功率MOSFET電路的基本原理是：采用V1,V2,V3和V4四只可關(guān)斷的功率器件組成一個H橋型丁類開關(guān)放大器（如圖1所示）。圖1中，對角的2只功率器件（V1和V4,V2和V3）同時導(dǎo)通和關(guān)斷。同一側(cè)（V1和V2,V3和V4）的器件交替導(dǎo)通和關(guān)斷，且激勵信號相差180.這樣，當(dāng)上邊的器件關(guān)斷（導(dǎo)通）時，下邊的就導(dǎo)通（關(guān)斷）。因此輸出A,B兩點(diǎn)的電位按照輸入激勵信號設(shè)定的頻率（或脈寬），輪流在電源的“+”和“-”之間切換。

功率MOSFET在實(shí)際應(yīng)用過程中，電路上存在高電壓和大電流，并且回路上的分布電容和分布電感都很大，功率器件門極激勵信號稍有故障就會在功率回路上引起過電壓（或過電流）而燒毀設(shè)備或器件。所以，這種功率放大器不僅要有完備的過壓過流保護(hù)功能，更重要的是要求輸入至功率放大器橋路上的功率器件門極激勵信號穩(wěn)定可靠[4].

3.保護(hù)電路CPLD實(shí)現(xiàn)

CPLD保護(hù)電路的內(nèi)部主要由電源轉(zhuǎn)換，晶體振蕩器，CPLD,輸出端口驅(qū)動等部分組成。

保護(hù)電路組成框圖如圖2所示。

保護(hù)電路的核心部分主要是一個CPLD,所有的功能都是通過對此器件進(jìn)行邏輯編程來實(shí)現(xiàn)。硬件上是對來自DSP電路的模擬輸出脈沖進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換和保護(hù)，對應(yīng)的輸出為兩路驅(qū)動信號和一路包絡(luò)信號。兩路輸出信號包絡(luò)相同，時間同步，信號高低電平相反。包絡(luò)信號就是兩路輸出信號的包絡(luò)，時間同步。兩路輸出信號經(jīng)過光隔隔離并反相后為功率MOSFET提供發(fā)射激勵信號源，包絡(luò)信號經(jīng)光隔后為功率電路提供控制信號。

CPLD保護(hù)電路主要對輸入MOSFET電路的典型異常信號，包括連續(xù)波信號、短周期脈沖信號和高電平長脈沖信號進(jìn)行輸入保護(hù)。所有異常輸入信號通常由這三種信號組合而成。假設(shè)連續(xù)波信號是超過10ms脈沖寬度的信號；短周期脈沖信號是小于200ms脈沖周期的信號。對其他不同參數(shù)異常信號的處理，可通過簡單設(shè)置軟件計(jì)數(shù)器來改變。保護(hù)電路軟件流程圖如圖3所示。

保護(hù)電路的具體保護(hù)功能與時序圖如下所示：

當(dāng)DSP電路給保護(hù)電路輸入連續(xù)高電平，保護(hù)電路會以第一個上升沿為基準(zhǔn)，開始檢測10kHz頻率信號的第一個周期（即100μs），如果沒有下跳沿，保護(hù)輸出50μs長高電平后，關(guān)閉輸出端口，保持低電平，兩路驅(qū)動信號輸出和輸入時序如圖4所示。

若DSP電路給保護(hù)電路輸入連續(xù)波形信號，保護(hù)電路將會以第一個上升沿為基準(zhǔn)，每隔200ms輸出一個10ms的脈沖波，避免連續(xù)工作損壞功率MOSFET,兩路驅(qū)動信號輸出和輸入信號時序如圖5所示。

若輸入信號兩脈沖之間的間隔小于200ms,保護(hù)模塊在第一個脈沖輸入之后將會管制200ms的時間，保持在這200ms以內(nèi)持續(xù)低電平后恢復(fù)正常，響應(yīng)下一個脈沖信號的到來，以脈沖信號的周期為20ms為例。兩路驅(qū)動信號輸出和輸入時序如圖6所示。

CPLD保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)的邏輯圖見圖7所示。

OSC-晶振輸入信號；PWM_IN-輸入脈沖信號或者異常干擾信號；SIG1_OUT-輸出信號1;SIG2_OUT-輸出信號2;ENVEOUT-控制信號；TEST1-10ms包絡(luò)信號、輸出信號包絡(luò)和高電平檢測信號的與；TEST2-高電平檢測信號；TEST3-信號包絡(luò)檢測信號。SIG1_OUT、SIG2_OUT和ENVEOUT信號進(jìn)入MOSFET功率管驅(qū)動芯片輸入端，其輸出是MOSFET的輸入信號。

圖7中三角形符號輸出表示的是對輸入信號增強(qiáng)驅(qū)動能力；矩形表示的是邏輯模塊；其他圖形標(biāo)識的是輸入輸出和邏輯符號。邏輯圖的五大功能模塊介紹如下：

①分頻模塊：

該模塊的功能是起到分頻作用，保證每個模塊在做延時的時候誤差保持在要求的范圍內(nèi)，還能夠保證占用系統(tǒng)資源很小。

②10ms包絡(luò)模塊：

該模塊的功能是使輸出信號的脈沖寬度不會大于10ms,根據(jù)時鐘頻率產(chǎn)生一個10ms的包絡(luò)信號與信號包絡(luò)模塊的輸出信號相與，就會得到一個10ms的包絡(luò)，在沒有信號輸入的情況下，輸出為低。

③根據(jù)信號產(chǎn)生包絡(luò)模塊：

該模塊的功能是根據(jù)輸入信號，輸出一個與輸入信號同相位的包絡(luò)信號。沒有信號輸入的情況下，輸出為低。

④連續(xù)高電平檢測模塊：

該模塊的功能是檢測輸入信號是否是連續(xù)高電平，如果是連續(xù)高電平，使輸出為一個脈寬很窄的信號，然后拉低，在沒有信號輸入的情況下，輸出為低。

⑤200ms死區(qū)模塊：

該模塊的功能是產(chǎn)生一個200ms的死區(qū)，即輸出有200ms的時間為低電平，該模塊是根據(jù)信號的下降沿來出發(fā)的，當(dāng)輸入信號下降沿到來的時候，輸出拉低，并保持200ms時間，200ms過后，輸出置高。

4.試驗(yàn)驗(yàn)證

在功率MOSFET保護(hù)電路輸入端分別輸入正常信號、連續(xù)高電平、連續(xù)波信號和短周期的脈沖信號。在沒有保護(hù)電路的情況下，若輸入端輸入這幾種異常信號，發(fā)射機(jī)功率MOSFET電路必將燒毀。保護(hù)電路輸出經(jīng)光隔隔離并高低電平轉(zhuǎn)換后驅(qū)動MOSFET工作。在試驗(yàn)室情況下，各種情況的正常、異常輸入信號經(jīng)CPLD保護(hù)電路后輸出信號實(shí)測波形如圖8~11所示。

第一路是原始輸入激勵信號，第二路是保護(hù)電路的輸出信號，第三路是包絡(luò)信號。

由圖中可知，異常信號經(jīng)CPLD保護(hù)電路邏輯處理后，輸出滿足系統(tǒng)要求并且使功率MOSFET可以接受的輸入信號。

5.結(jié)論

本文提出了采用CPLD芯片解決大功率發(fā)射機(jī)激勵信號異常或故障帶來重大危害的方法。

通過系統(tǒng)模擬測試以及實(shí)際拷機(jī)測試，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的正確性和可行性。現(xiàn)已將此設(shè)計(jì)應(yīng)用于某大功率發(fā)射機(jī)項(xiàng)目的保護(hù)電路中，最大限度減小了因激勵信號異常和故障給發(fā)射機(jī)帶來的危害。另外，本設(shè)計(jì)的硬件電路具有較強(qiáng)的通用性，只需稍加改變軟件編程，就可以應(yīng)用于其他電路的信號處理設(shè)計(jì)中。