通过采用CPLD芯片实现对MOSFET器件电路的保护设计

1.概述

功率MOSFET最初是从MOS集成电路发展起来的，它通过增加源漏横向距离提高器件耐压，从而实现集成电路中高压驱动[1].功率MOSFET已大量应用于电力电子，消费电子、汽车电子和水声工程等领域。虽然功率MOSFET具有效率高、结构简单、便于数字化控制等优点，但是其采用的电力电子器件对过压过流的承受能力较差，容易烧毁，因此保护电路的设计非常重要，并且要求保护响应时间做到微秒级[2].功率MOSFET保护主要是指过流保护，对于过压的情况一般采用吸收电路来进行抑制。

在水声发射机功率MOSFET的设计和使用中，常常由于输入信号的异常和环境干扰，而导致功率放大器容易烧毁。

针对功率MOSFET易受损或烧坏的情况，在水声发射机应用中专门设计了一种以CPLD（复杂可编程逻辑器件）为核心器件的可编程保护电路。目前CPLD已经得到广泛应用。它具有体系结构/逻辑单元灵活、处理速度快、集成度高、可实现较大规模电路、编程灵活、设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定、可实时在线检验以及适用范围广等优点，因此逐步被应用于各类保护电路设计中[3].

鉴于CPLD的诸多优点，本设计采用单独CPLD芯片为核心，不需要单片机或DSP进行控制，来解决以MOSFET为核心的大功率发射机激励信号异常或故障所带来的严重问题，为发射机的MOSFET电路的安全稳定运行起到保护作用。CPLD保护电路在输入高电平长脉冲、连续信号和短周期脉冲等典型异常信号情况下，通过简单改变代码参数就可以防止异常的信号进入到后级损坏功率MOSFET,实现对电路的保护作用。

2.功率MOSFET基本原理

功率MOSFET电路的基本原理是：采用V1,V2,V3和V4四只可关断的功率器件组成一个H桥型丁类开关放大器（如图1所示）。图1中，对角的2只功率器件（V1和V4,V2和V3）同时导通和关断。同一侧（V1和V2,V3和V4）的器件交替导通和关断，且激励信号相差180.这样，当上边的器件关断（导通）时，下边的就导通（关断）。因此输出A,B两点的电位按照输入激励信号设定的频率（或脉宽），轮流在电源的“+”和“-”之间切换。

功率MOSFET在实际应用过程中，电路上存在高电压和大电流，并且回路上的分布电容和分布电感都很大，功率器件门极激励信号稍有故障就会在功率回路上引起过电压（或过电流）而烧毁设备或器件。所以，这种功率放大器不仅要有完备的过压过流保护功能，更重要的是要求输入至功率放大器桥路上的功率器件门极激励信号稳定可靠[4].

3.保护电路CPLD实现

CPLD保护电路的内部主要由电源转换，晶体振荡器，CPLD,输出端口驱动等部分组成。

保护电路组成框图如图2所示。

保护电路的核心部分主要是一个CPLD,所有的功能都是通过对此器件进行逻辑编程来实现。硬件上是对来自DSP电路的模拟输出脉冲进行信号转换和保护，对应的输出为两路驱动信号和一路包络信号。两路输出信号包络相同，时间同步，信号高低电平相反。包络信号就是两路输出信号的包络，时间同步。两路输出信号经过光隔隔离并反相后为功率MOSFET提供发射激励信号源，包络信号经光隔后为功率电路提供控制信号。

CPLD保护电路主要对输入MOSFET电路的典型异常信号，包括连续波信号、短周期脉冲信号和高电平长脉冲信号进行输入保护。所有异常输入信号通常由这三种信号组合而成。假设连续波信号是超过10ms脉冲宽度的信号；短周期脉冲信号是小于200ms脉冲周期的信号。对其他不同参数异常信号的处理，可通过简单设置软件计数器来改变。保护电路软件流程图如图3所示。

保护电路的具体保护功能与时序图如下所示：

当DSP电路给保护电路输入连续高电平，保护电路会以第一个上升沿为基准，开始检测10kHz频率信号的第一个周期（即100μs），如果没有下跳沿，保护输出50μs长高电平后，关闭输出端口，保持低电平，两路驱动信号输出和输入时序如图4所示。

若DSP电路给保护电路输入连续波形信号，保护电路将会以第一个上升沿为基准，每隔200ms输出一个10ms的脉冲波，避免连续工作损坏功率MOSFET,两路驱动信号输出和输入信号时序如图5所示。

若输入信号两脉冲之间的间隔小于200ms,保护模块在第一个脉冲输入之后将会管制200ms的时间，保持在这200ms以内持续低电平后恢复正常，响应下一个脉冲信号的到来，以脉冲信号的周期为20ms为例。两路驱动信号输出和输入时序如图6所示。

CPLD保护电路实现的逻辑图见图7所示。

OSC-晶振输入信号；PWM_IN-输入脉冲信号或者异常干扰信号；SIG1_OUT-输出信号1;SIG2_OUT-输出信号2;ENVEOUT-控制信号；TEST1-10ms包络信号、输出信号包络和高电平检测信号的与；TEST2-高电平检测信号；TEST3-信号包络检测信号。SIG1_OUT、SIG2_OUT和ENVEOUT信号进入MOSFET功率管驱动芯片输入端，其输出是MOSFET的输入信号。

图7中三角形符号输出表示的是对输入信号增强驱动能力；矩形表示的是逻辑模块；其他图形标识的是输入输出和逻辑符号。逻辑图的五大功能模块介绍如下：

①分频模块：

该模块的功能是起到分频作用，保证每个模块在做延时的时候误差保持在要求的范围内，还能够保证占用系统资源很小。

②10ms包络模块：

该模块的功能是使输出信号的脉冲宽度不会大于10ms,根据时钟频率产生一个10ms的包络信号与信号包络模块的输出信号相与，就会得到一个10ms的包络，在没有信号输入的情况下，输出为低。

③根据信号产生包络模块：

该模块的功能是根据输入信号，输出一个与输入信号同相位的包络信号。没有信号输入的情况下，输出为低。

④连续高电平检测模块：

该模块的功能是检测输入信号是否是连续高电平，如果是连续高电平，使输出为一个脉宽很窄的信号，然后拉低，在没有信号输入的情况下，输出为低。

⑤200ms死区模块：

该模块的功能是产生一个200ms的死区，即输出有200ms的时间为低电平，该模块是根据信号的下降沿来出发的，当输入信号下降沿到来的时候，输出拉低，并保持200ms时间，200ms过后，输出置高。

4.试验验证

在功率MOSFET保护电路输入端分别输入正常信号、连续高电平、连续波信号和短周期的脉冲信号。在没有保护电路的情况下，若输入端输入这几种异常信号，发射机功率MOSFET电路必将烧毁。保护电路输出经光隔隔离并高低电平转换后驱动MOSFET工作。在试验室情况下，各种情况的正常、异常输入信号经CPLD保护电路后输出信号实测波形如图8~11所示。

第一路是原始输入激励信号，第二路是保护电路的输出信号，第三路是包络信号。

由图中可知，异常信号经CPLD保护电路逻辑处理后，输出满足系统要求并且使功率MOSFET可以接受的输入信号。

5.结论

本文提出了采用CPLD芯片解决大功率发射机激励信号异常或故障带来重大危害的方法。

通过系统模拟测试以及实际拷机测试，验证了本设计的正确性和可行性。现已将此设计应用于某大功率发射机项目的保护电路中，最大限度减小了因激励信号异常和故障给发射机带来的危害。另外，本设计的硬件电路具有较强的通用性，只需稍加改变软件编程，就可以应用于其他电路的信号处理设计中。