动态电位分析法在功率负载状态监测中的应用

动态电位分析法在功率负载状态监测中的应用

张大铭 卢嘉成 陆信谦 许晓平

( 陆军装备部驻南京地区军事代表局驻南京地区第三军事代表室 , 江苏南京、 210000)

摘 要：研究了动态电位分析法判断负载状态的监测方法，设计了直流固态功率控制器在带载状态下的实时监测电路。通过实时判断采样电阻两端的电位差和负载公共端电位的方法来监测电路的负载状态，解决了传统的负载状态监测电路只有在负载回路工作时才能监测负载工作状态的问题。经过理论分析、电路搭建与功率负载，验证了功率开关无论是处于开通或关断状态，该监测电路均可以快速准确地监测出负载的工作状态。

关键词：动态电位；状态监测；功率负载

一、引言

分布式配电系统对智能化、可靠性要求较高，传统的配电模式已经不满足该配电系统的要求，采用模块化固态配电技术是机载配电系统的发展趋势。固态功率控制器是兼具继电器的转换功能和断路器的电路保护功能于一体的固态功率开关，是与固态配电系统相配套的控制负载通断的开关装置，它具有无触点、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高以及便于计算机远程控制等优点。固态功率控制器的保护功能包括过载时的反时限过流保护功能和短路故障时的快速短路保护功能，接收上位机的控制指令和向其反馈自身的工作状态，与上位机进行状态信息交换的通信功能，现代电子装备对故障预测与健康管理的要求越来越高，所以固态功率控制器还应具有故障信息采集与预测的功能，通过对故障信息的采集，能够掌握固态功率控制器自身或负载的连接状态，有助于我们进行故障定位和减少维修时间。

传统的负载状态监测电路只有在负载回路工作时才能监测负载的连接状态，这种电路存在的不足是它不能在负载回路工作前监测负载的连接状态。但部分机载设备的监测和维护是不允许开通设备的（如武器装备的地面监测和维护），在这种情况下传统的负载状态监测电路就无法解决该问题。还有一些负载状态监测电路使用负载传感器来实现[4]，但是它还是存在着不能在负载回路工作前监测负载连接状态的不足，此外负载传感器体积大、无法在某些特殊温度环境下正常工作。本文对动态电位判断负载状态在线监测方法作了进一步的研究，经验证，该电路能够实时准确地监测负载的连接状态，并可以将该负载状态信息上传给上位机。

二、设计思想与技术原理

（一）设计思想

针对上位机要求实时准确采集负载状态以及传统负载状态监测电路的不足，设计了负载状态监测电路，不论负载回路工作与否都能实时采集负载连接状态。该电路主要思想是：在功率开关闭合时通过采集负载回路的电流来判断负载的连接状态；功率开关断开时通过判断负载接地端的动态电位来判断负载的连接状态。实时采集到的负载状态信息经过信号处理后上传总线。

图
1 负载状态监测电路

（二） 技术原理

直流固态功率控制器是由半导体器件构成的智能开关装置，为直流负载提供开关控制和馈电保护，接收上位机的控制信号并上传负载的状态信息。功率开关分为两种状态：1)开通状态；2)断开状态，如图1所示，监测电路由采样电阻电位差判断电路、负载公共端电位判断电路、比较器接入控制电路、延时判断电路组成，其技术原理为：1)当功率开关开通时，模块3（比较器接入控制电路）控制模块2（负载公共端电位判断电路）输出低电平，模块1（采样电阻电位差判断电路）对采样电阻两端的电位差进行动态的比较判断，根据负载的连接状态，输出逻辑电平；2) 当功率开关断开时，模块1输出低电平，模块2对负载公共端的电位进行动态判断，根据负载的连接状态，输出逻辑电平。逻辑关系见表1 所示。

表1 监测模块输出电平的逻辑关系

由表1可以看出，模块4（延时判断电路）对两个监测模块的输出逻辑电平进行或运算，这样，无论功率开关处是于开通还是断开状态，负载连接时，电路输出高电平；负载未连接时，电路输出低电平，克服了传统负载状态监测电路只有在负载回路工作时才能监测负载连接状态的缺点。

三、电路设计

采样电阻电位差判断电路需要在负载连接且功率开关开通时输出高电平，其他状态下输出低电平，因此，该电路通过电流监测放大器对放大后的采样电阻两端的电位差进行实时动态的判断，若监测到放大后的电位差大于2.5V，表明负载接通，电路输出高电平；若监测到放大后的电位差小于2.5V，表明负载未接通或负载回路上出现了断路，电路输出低电平。

负载公共端电位判断电路需要在负载连接且功率开关断开时输出高电平，其他状态下输出低电平，电路通过反相电压比较器对负载公共端（即地端）的电位和控制电源提供的参考电压进行实时动态的判断和比较，即可监测出负载的连接状态。由于功率模块的控制电源和功率电源是隔离的，并且一般情况下功率电源的电压比控制电源电压高，所以从安全性上考虑，必须在功率开关断开的状态下才能把电压比较器的输入端连接到负载公共端。

比较器接入控制电路需要完成如下功能：功率开关断开时，负载公共端电位判断电路中的电压比较器连接到负载公共端；功率开关开通时，电压比较器从负载公共端断开。电路由MOS管的开通或关断信号经过隔离后驱动开关三极管来控制电压比较器是否接到负载公共端。

延时判断电路需要在负载连接时输出高电平，在负载未连接时输出低电平，电路通过2个二极管对模块1和模块2输入的信号进行或运算，再经过一个RC延时电路延时后输出。搭建电路时，电流监测放大器采用LT6107，电压比较器采用TS391。

图2 电路原理图

由于电压比较器的转换速度非常快，一个很小的扰动都可能使电压比较器的输出从一个状态转换到另一个状态，为了提高电路的抗干扰能力，把电压比较电路设计成迟滞电压比较器电路就能解决这一问题[5]。迟滞比较器有2个阈值，比较器的输入信号变化方向不同计算阈值的公式也不同，反相迟滞比较器的2个阈值计算公式为：

（1）

（2）

式中：UTH1是迟滞比较器的上阈值，UTH2是迟滞比较器的下阈值，Rf是比较器的反馈电阻，R1是比较器的输入电阻，UR是比较器的参考电压，UOH是比较器输出的高电平数值，UOL是比较器输出的低电平数值。由阈值计算公式可知改变UR和Rf的值都能改变阈值，反相迟滞比较器电路反馈电阻通常要大于输入电阻R1。为了使模块1和模块2输出高电平时的电压值相同，在比较电路的输出端连接一个分压电路。

延时判断电路由或运算电路和RC延时电路组成，其功能是把或运算电路输出的结果延时一个固定时间后再输出，目的是增强电路的抗干扰能力。延时时间t的计算公式为：

（3）

式中：U是给电容充电的电压，Uc是电容充电时其两端达到的电压。

四、实验与结果分析

电路实验分别在功率开关开通和断开两种状态下对电路的功能进行了测试。由表1及电路分析可知，在功率开关开通时由采样电阻电位差判断电路来判断负载的连接状态；在功率开关断开时由负载公共端电位判断电路来判断负载的连接状态，最后进行了延迟判断电路对噪声干扰抑制效果的实验。

功率开关开通时流过功率控制器负载的额定电流是5A，通过高压侧电流放大器LT6107对电流信号进行采集，选择采样电阻R的阻值为10mΩ，LT6107的输入电阻RIN为100Ω，输出电阻ROUT为10kΩ。由LT6107输出电压VOUT的计算公式：

（4）

功率开关开通时负载连接状态与采样电阻电位差判断电路输出波形如图3所示，CH1为采样电阻电位差，CH2为采样电阻电位差判断电路的输出，当负载断开时，负载回路电流为0A，LT6107的输入为0mV，输出为0V；当负载接通时，负载回路电流为5A，LT6107输入为50mV，输出为5V。采样电阻电位差判断电路在功率开关开通时通过采集负载回路的电流值可以准确判断负载的连接状态。

图
3 负载状态与采样电阻电位差输出波形

图
4为功率开关断开时负载连接状态与电压比较器输出波形。CH1表示负载连接状态，CH2为电压比较器的输出。负载公共端电位判断电路中选择参考电压UR=10V，R1=5.1kΩ，Rf=47kΩ，由迟滞电压比较器阈值计算式(1)、(2)计算出：UTH1=10.5V，UTH2=9.0V。当功率开关断开时，开关三极管导通，当负载接入时负载公共端电位判断电路中电压比较器的反相输入端通过负载接到控制电源的地端，由此反相输入端的输入为低电平，即反相输入端低电平表示负载接入，电压比较器输出高电平；当负载断开时负载公共端电位判断电路中电压比较器的反相输入端悬空，反相输入端的输入为高电平，即反相输入端高电平表示负载断开，电压比较器的输出为低电平。

图4 负载状态与电压比较器输出波形

根据延时时间的计算式(3)可以计算出时常数t=15μs，取R=15kΩ，C=1nF，延时判断电路的输出电压到达1/2输入电压的时间为10μs，选取输入电压的1/2作为判断输出有效的判断电压。采样电阻电位差判断电路输出为5V，负载公共端电位判断电路中的电压比较器输出最大为15V，需要对负载公共端电位判断电路输出进行分压处理，使负载公共端电位判断电路最终输出为5V。延时判断电路的输入输出波形如图5所示，当电路中存在噪声干扰时，只要干扰脉冲的强度不大2.5V或脉冲宽度不大于10μs就不会对电路最终的监测结果产生干扰。

图5 延时电路对噪声干扰的抑制效果

由以上实验可以判断，在功率开关开通或管断时，监测电路均可以对负载的连接状态进行准确判断，同时延时电路对噪声抑制也有一定的效果。

五、总结

本文阐述了动态电位分析法对负载状态的监测技术，其监测电路具有结构简单、体积小、实时性高和抗干扰能力强的特点，通过搭建监测电路并通过实验表明，不论功率开关是处于开通还是断开状态，均可以准确地监测负载的连接状态，同时，该思想也适应现代武器装备故障预测与健康管理的要求，可为武器装备的故障点定位提供参考信息，也可缩短故障排查的周期。