采用IEEE 1451.2的智能传感器独立接口设计

2.2 基于UCC3918的热插拔控制电路

　　为了能在测控网络中方便地添加、撤除和更换传感器模块，IEEE 1451.2协议智能传感器接口模块具有即插即用的能力。这使得传感器独立接口电路的设计要考虑热插拔过程带来的瞬时电流的影响。当智能传感器接口模块插入网络适配器时，网络适配器已经处于稳定工作状态，所有电容都已充满了电，智能传感器接口模块是不带电的，电容里面没有电荷。因此，当智能传感器接口模块接触网络适配器时，由于给智能传感器接口模块上的电容充电会产生很大的瞬时电流。同样，带电的智能传感器接口模块从网络应用适配器上拔出时，由于旁路电容放电，在带电的智能传感器接口模块和网络适配器之间形成一条低阻通路，这样也会导致产生大的瞬时电流[3]。严重情况下，热插拔过程中较大的瞬时电流会使电源电压出现瞬时跌落，导致系统复位，甚至导致连接件、电子元件和电路板连线的损坏。

　　为了系统的安全可靠运行，必须抑制过大的瞬时电流。为此在接口电路的设计中采用了UCC3918芯片。UCC3918低电阻热交换功率控制器是TI公司生产的一款热插拔控制器。UCC3918的工作电压为3～6 V，具有低达0.06 Ω的导通电阻，最高限幅电流可达5 A。只需配备很少的外围器件，UCC3918就能提供完整的电源管理、热插拔限流功能和断路器功能。

　　UCC3918芯片的基本工作原理是：当输出电流低于最大允许电流值IMAX时，UCC3918工作在低阻抗导通状态。当输出电流大于最大允许电流或者故障电流门限值时，保持电路导通；同时，故障计时器向电容CT充电，一旦电容CT电压达到预设门限值，将关断电流输出30倍充电时间。输出电流降到最大允许电流值以下时，UCC3918从开关状态回到低电阻导通状态。UCC3918还提供了快速过流保护，当电流急速越过故障电流门限值时，快速过流保护会关断电流输出。在电路短路等极端条件下，此功能为器件提供有效保护。

　　UCC3918的应用设计方案如图3所示，通过合理地选择2个电阻和2个电容的值，就可以达到有效抑制瞬时电流的目的。

图3 基于UCC3918的热插拔控制电路图

　　其中，RIFAULT参考式(1)设置：

式中，ITRIP为故障电流门限值。RIMAX参考式⑵设置：R

式中，IMAX为最大负载电流。TII设置电流门限值时，IMAX设为智能传感器接口模块正常负载电流的1.2~1.5倍，故障电流IFAULT设为智能传感器接口模块正常负载电流的4倍，CT取一倍负载电容。

　　为了验证上述设计的有效性，对TII接口做了实验验证，结果如表2所列。一组实验条件是没有热插拔控制电路，另一组实验条件是使用了UCC3918热插拔控制器。作为负载的智能传感器接口模块的正常工作电流是650 mA。具备热插拔功能的TII接口，其最大瞬时电流为2.0 A，约为正常工作电流的3倍。如果不设计热插拔控制电路，瞬时电流将近是正常电流的5倍。这可能会导致系统电源瞬时电压跌落或损坏器件。

表2 最大瞬时电流对照表

　　图4是热插拔的电流波形对比图。上面是启动热插拔控制电路的电流波形，下面是未启动热插拔控制电路的电流波形。

图4 热插拔电流波形对比图

结语

　　本文介绍了基于IEEE 1451.2协议的智能传感器独立接口部分的设计和实现，并通过实验验证了热插拔控制功能的有效性，所设计的接口已经应用于电力系统传感器网络中。