采用IEEE 1451.2的智能傳感器獨立接口設計

2.2 基于UCC3918的熱插拔控制電路

　　為了能在測控網絡中方便地添加、撤除和更換傳感器模塊，IEEE 1451.2協議智能傳感器接口模塊具有即插即用的能力。這使得傳感器獨立接口電路的設計要考慮熱插拔過程帶來的瞬時電流的影響。當智能傳感器接口模塊插入網絡適配器時，網絡適配器已經處于穩定工作狀態，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，當智能傳感器接口模塊接觸網絡適配器時，由于給智能傳感器接口模塊上的電容充電會產生很大的瞬時電流。同樣，帶電的智能傳感器接口模塊從網絡應用適配器上拔出時，由于旁路電容放電，在帶電的智能傳感器接口模塊和網絡適配器之間形成一條低阻通路，這樣也會導致產生大的瞬時電流[3]。嚴重情況下，熱插拔過程中較大的瞬時電流會使電源電壓出現瞬時跌落，導致系統復位，甚至導致連接件、電子元件和電路板連線的損壞。

　　為了系統的安全可靠運行，必須抑制過大的瞬時電流。為此在接口電路的設計中采用了UCC3918芯片。UCC3918低電阻熱交換功率控制器是TI公司生產的一款熱插拔控制器。UCC3918的工作電壓為3～6 V，具有低達0.06 Ω的導通電阻，最高限幅電流可達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：當輸出電流低于最大允許電流值IMAX時，UCC3918工作在低阻抗導通狀態。當輸出電流大于最大允許電流或者故障電流門限值時，保持電路導通；同時，故障計時器向電容CT充電，一旦電容CT電壓達到預設門限值，將關斷電流輸出30倍充電時間。輸出電流降到最大允許電流值以下時，UCC3918從開關狀態回到低電阻導通狀態。UCC3918還提供了快速過流保護，當電流急速越過故障電流門限值時，快速過流保護會關斷電流輸出。在電路短路等極端條件下，此功能為器件提供有效保護。

　　UCC3918的應用設計方案如圖3所示，通過合理地選擇2個電阻和2個電容的值，就可以達到有效抑制瞬時電流的目的。

圖3 基于UCC3918的熱插拔控制電路圖

　　其中，RIFAULT參考式(1)設置：

式中，ITRIP為故障電流門限值。RIMAX參考式⑵設置：R

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

　　為了驗證上述設計的有效性，對TII接口做了實驗驗證，結果如表2所列。一組實驗條件是沒有熱插拔控制電路，另一組實驗條件是使用了UCC3918熱插拔控制器。作為負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，其最大瞬時電流為2.0 A，約為正常工作電流的3倍。如果不設計熱插拔控制電路，瞬時電流將近是正常電流的5倍。這可能會導致系統電源瞬時電壓跌落或損壞器件。

表2 最大瞬時電流對照表

　　圖4是熱插拔的電流波形對比圖。上面是啟動熱插拔控制電路的電流波形，下面是未啟動熱插拔控制電路的電流波形。

圖4 熱插拔電流波形對比圖

結語

　　本文介紹了基于IEEE 1451.2協議的智能傳感器獨立接口部分的設計和實現，并通過實驗驗證了熱插拔控制功能的有效性，所設計的接口已經應用于電力系統傳感器網絡中。