一种基于ispPAC的铁路电源启动模块及方法

摘要

本发明涉及基于ispPAC的铁路电源启动模块及方法，由输入信号保护电路单元、信号调理电路单元、信号隔离比较电路单元、A/D模数转换采样及逻辑控制电路单元、断路器驱动电路单元以及通讯接口电路单元组成，启动方法为：1）在铁路电源启动模块输入初级电压和次级电压，启动模块用于监控初级电压和次级电压的欠电压监控；2）输入电压经过输入信号保护、信号调理和信号隔离后进入模数转换电路，模数转换电路，输入到通讯接口电路单元；3）初级电压和次级电压在输出端经输出断路器电路单元驱动保护或电源模块控制监控。本发明结构简单、成本低，在ispPAC完成初级及次级的欠电压监控。具有实时性高、稳定可靠等优良特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于可编程模拟电路（In-System-Programmability Programmable  Analog Circuits,简称ispPAC）的铁路电源启动（Power Start-up Unit，简称PSU）模块， 用于高速列车供电系统电压监控以及系统受控启动和受控停止。

背景技术

在系统可编程模拟电路ispPAC，允许设计者使用开发软件通过计算机对模拟电路进行设 计、修改、仿真，最后通过编程电缆将设计方案下载至芯片中，可编程模拟电路可实现信号 调理、信号处理、信号转换三种功能。

高速列车中央控制单元CCU（Central Control Unit）由供电模块、中央处理单元CPU、 TCN网关、IO模块、总线管理模块、背板等部分组成，主要作用是完成列车系统逻辑控制以 及对各部件监控和保护。

电源启动模块（PSU）属于供电模块的一部分，通过总线与CPU单元进行数据通讯。此模 块检测初级和次级各路的电压状态，可通过硬件或软件控制断开相应的模块供电，亦可控制 其余电源模块的供电状态，从而保护整个系统可靠的工作状态。目前国内高速列车系统研发 刚刚起步，尚无稳定可靠的源边电流检发测控制模块。

发明内容

本发明为高速列车中央控制单元的电源管理部分，提供一种基于ispPAC的高可靠性铁路 电源启动模块初级与次级电压进行检测及保护。该模块由六部分组成:输入信号保护电路单 元,信号调理电路单元,信号隔离比较电路单元,模数转换电路及逻辑控制电路单元,断路器驱 动电路单元，通讯接口电路单元。

本发明技术方案如下：一种基于ispPAC的铁路电源启动模块，其特征在于，由输入信号 保护电路单元、信号调理电路单元、信号隔离比较电路单元、A/D模数转换采样及逻辑控制 电路单元、断路器驱动电路单元以及通讯接口电路单元组成，

初级电压和次级电压先进入输入信号保护电路单元再进入与其连接的信号调理电路单元 进行分压比较得到数字和/或模拟信号；

所述A/D采样及逻辑控制电路单元采集经过调理后的模拟信号及数字信号，并输出到通 讯接口电路单元；

所述通讯接口电路单元连接断路器驱动电路单元，用于CPU板卡控制信号的传入执行；

所述断路器驱动电路单元，根据接收到的A/D转换及逻辑控制电路输出进行决策分断后 输出结果。

PSU电源启动模块分为两个电势等级，在初级端有两个电缆接头，载电流容量分别为20A 和10A。

PSU电源启动模块在初级电压端，所述A/D采集及逻辑控制电路单元采用初级供电电压 或借助单独的ESB启动信号启动。

更进一步，PSU电源启动模块还连接一供电模块。

更进一步，PSU电源启动模块在次级端，设有6条监控通道用于次级供电电压的欠电压 监控，所述监控通道中有3条可通过硬件断开或连接；其它通道保持连通。

更进一步，PSU电源启动模块采用CP2120芯片将SPI接口扩展成IO接口的方式，由中 央处理单元CPU完成对此板卡的复位及控制。

更进一步，PSU电源启动模块中根据可变电阻器设置焊接端子上的电阻器停机阈值，可 变电阻器可以调节可断通道的停机阈值。

基于ispPAC的铁路电源启动方法，其步骤包括，

1）在PSU铁路电源启动模块的输入端输入初级电压和次级电压，所述PSU铁路电源启动 模块用于监控初级电压和次级电压的欠电压监控；

2）输入电压经过输入信号保护、信号调理和信号隔离后进入模数转换电路，所述模数转 换电路，输入到通讯接口电路单元；

3）初级电压和次级电压在输出端经输出断路器电路单元驱动保护或电源模块控制监控， 完成电源启动。

经信号调理电路单元处理的电压一部分进入信号隔离比较电路完成模拟比较后进入模数 采集及逻辑控制电路单元，一部分直接进入模数采集及逻辑控制电路单元。

所述输出断路器驱动电路单元执行分断操作时，经过稳压管降压控制PNP三极管，三极 管输出驱动光耦隔离器进而控制功率MOS完成分断功能。

发明有益效果

本发明结构简单、成本低。采用在系统可编程模拟电路ispPAC完成初级及次级的欠电压 监控。具有实时性高、稳定可靠等优良特性。本发明亦可用于CCU模块的供电桥接，功能完 善。

附图说明

图1是本发明基于ispPAC的铁路电源启动模块的一实施例中电源启动模块示意图；

图2是本发明一实施例中输入信号保护电路单元示意图；

图3是本发明一实施例中信号调理比较电路单元示意图；

图4是本发明一实施例中模拟信号放大电路单元示意图；

图5是本发明一实施例中信号隔离比较电路单元示意图；

图6是本发明一实施例中模数转换电路及逻辑控制电路单元示意图；

图7是本发明一实施例中断路器驱动电路单元示意图；

图8是本发明一实施例中通讯接口电路单元示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本 发明作进一步详细的说明。

本发明明一实施例中基于ispPAC的铁路电源启动模块，由输入信号保护电路单元、信号 调理电路单元、信号隔离比较电路单元、A/D模数转换采样及逻辑控制电路单元、断路器驱 动电路单元以及通讯接口电路单元组成，初级电压和次级电压先进入输入信号保护电路单元 再进入与其连接的信号调理电路单元进行分压比较得到数字和/或模拟信号；A/D采样及逻辑 控制电路单元采集经过调理后的模拟信号及数字信号，并输出到通讯接口电路单元；通讯接 口电路单元连接断路器驱动电路单元，用于CPU板卡控制信号的传入执行；断路器驱动电路 单元，根据接收到的A/D转换及逻辑控制电路输出进行决策分断后输出结果。

为了完成与CCU中的CPU模块之间的交互功能，采用专用芯片（CP2120）将SPI接口扩 展成IO接口的方式，可以由中央处理单元CPU完成对此板卡的复位及控制。机械尺寸采用标 准3U板卡。

PSU铁路电源启动模块用于采集监控初级与次级的电压，完成高速列车供电系统的受控 启动和受控停止。

采用PSU铁路电源启动模块的面板连接器使A/D采集及逻辑控制电路单元与供电单元电 压初级端连接。

PSU铁路电源启动模块细分为两个电势等级。对于供电单元的电源，在初级端有两个电 缆接头，具有20A和10A的载电流容量。

在初级端，PSU铁路电源启动模块上的A/D采集及逻辑控制电路的启动是通过采用初级 供电电压或借助单独的启动信号(ESB)(CCU中中央控制单元模块通过背板总线输出至本模块) 来实现的。供电电压（包含初级输入与次级输出）和启动信号受欠电压监控。

本模块中的停机阈值通过焊接端子上的电阻器来设置。借助可变电阻器可以调节可断通 道的停机阈值。非可断通道的阈值是固定的。欠压监控器的门限及阈值判断在ispPAC中进行。

在次级端，PSU铁路电源启动模块具有6条监控通道用于次级供电电压的欠电压监控。 监控通道中有3条可以通过硬件断开或连接；其它通道永久连通，供后级重要模块自身决策。

图1是本发明基于ispPAC的铁路电源启动模块具体实施例的示意图；如图1所示初级和 次级电压输入，首先经过输入信号保护电路保护，进入信号调理电路。一部分进入信号隔离 比较电路完成模拟比较后进入模数采集及逻辑控制电路，一部分直接进入模数采集及逻辑控 制电路。经A/D采集及逻辑控制电路进行分析处理后，控制断路器驱动电路和其余电源板信 号端，完成分断功能。此模块（基于ispPAC的铁路电源启动模块）将前面板的电源输入传至 背板，通过背板SPI接口与CPU模块完成通讯。

图2是本发明一实施例中输入信号保护电路示意图；优选110V供电信号经接插件输入后， 通过电容及瞬态抑制二极管完成过压及浪涌保护。输出端顶层或底层80mils三线宽走线道背 板连接器，全线打过孔连接，间隔为220mils。

图3是本分发明一实施例中信号调理电路单元示意图；电压信号经电阻分压后，进入比 较器输入，经过施密特触发器整形及与门驱动，输入出给下一级比较电路，非欠压情况下， 输出为高。

图4是本分发明一实施例中模拟信号放大电路单元示意图；经过调理后的电压信号经过 运放进行反向放大，之后通过电阻输出给模数采集电路。

图5是本分发明一实施例中信号隔离比较电路原理图；输入信号经稳压管降压后进入三 极管输入端，三极管输出驱动光耦隔离器，之后经过阻容滤波输入到逻辑控制电路。

图6是本分发明一实施例中模数转换及逻辑控制电路单元示意图；所有经过调理后的模 拟信号及数字信号输入到此处理器中，处理器处理判断后经IO输出驱动相应的逻辑电路。同 时，连接SPI通讯芯片完成CCU中CPU单元的控制功能。

图7是本分发明一实施例中断路器驱动电路单元示意图；模数转换及逻辑控制电路输出 传入此电路。当决策分断时，经过稳压管降压控制PNP三极管，三极管输出驱动光耦隔离器 进而控制功率MOS完成分断功能。

图8是本分发明一实施例中通讯接口电路单元示意图；优选专用SPI控制IO芯片CP2120， 完成CPU板卡控制信号的传入执行。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照 较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本 发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案 的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。