CN104597823A - 航空总线系统及其保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种航空总线系统及其保护电路。本发明提供的航空总线系统保护电路，设于总线发送器的端口与系统总线之间，能够在系统总线出现过流时，将总线发送器端口的过流保护部件熔断，完全断开总线发送器与系统总线之间的物理连接，实现总线发送器与系统总线的完全隔离，以保护总线控制器、处理器等其他关键系统设备。同时，该保护电路也能防止总线发送器自身内部由于短路、闩锁等故障引起的过压和过流传导到系统总线上，避免由于总线发送器的故障造成总线上其他接收节点的损坏。

Description

航空总线系统及其保护电路

技术领域

本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种航空总线系统及其保护电路。

背景技术

随着航空技术及航空市场的发展，航空总线的应用越来越广泛。其中，普遍应用于军用和民用航空领域的航空总线主要有1553B总线和ARINC429总线。总线应用环境十分复杂，而且总线上一般都同时接多个发送或接收节点。图1即为航空总线的系统架构示意图。当出现总线故障，例如遭遇雷击、电磁干扰时，总线上可能出现高电压、大电流。因此，需要采取保护措施防止总线上的非正常高压、大电流传导到其他系统节点，损坏总线控制器、处理器等关键系统设备。与其他总线不同，航空总线上的非正常高压、大电流具有能量高、响应时间短、破坏面积大等特点。因此对系统更具威胁和破坏性，也极大的增加了系统保护的难度。

一般总线的过压和过流保护主要是在总线发送器内部增加保护电路，当检测到过压和过流时，启动保护电路，对电压进行钳位，泄放电流，但不断开系统与总线的连接。这种保护方式响应时间较长，适合于器件闩锁、总线短路等故障引起的过压、过流保护。而航空总线上由于雷击、电磁干扰出现的高压、大电流脉冲，可能持续时间只有几个微秒，甚至纳秒级别，但电压和电流的数量级却达到几千伏和几个安培，在这么短的时间内，一般总线发送器内部的保护电路是无法做出响应的，而且也不能承受这么高的能量。因此，普通总线发送器里面的过压和过流保护结构并不适用于航空总线。

目前，航空总线的过压和过流保护主要是从系统级进行，通过在总线上增加过压保护电路，提供放电通路，进行过压和过流保护。但这种保护方式在发生过压和过流时，仍然保持了发送器与总线的连接，如保护电路不能及时将电荷泄放，总线上的高压和大电流仍然可能破坏总线控制器、处理器等关键系统设备。并且，进行系统级的过压、过流保护势必要增加系统复杂性，提高了系统设计难度和维护成本，而且存在一定的风险和局限性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的首先即在于提供一种航空总线保护电路，以解决现有保护电路不能及时将电荷泄放，总线上的高压和大电流仍然可能破坏总线控制器、处理器等关键系统设备的技术问题。

本发明提供的航空总线保护电路，可以用于防止总线发送器和系统总线之间因过流或过压产生的损害扩大，其特征在于，所述保护电路设于所述总线发送器的端口与系统总线之间，包括一个当电流超过保护电流阈值时即刻熔断、断开所述总线发送器与系统总线之间的物理连接的过流保护部件。

进一步地，所述保护电路还包括设置在所述总线发送器的端口与地之间的，用于当总线电压高于保护电压阈值时、将电压钳位在保护电压阈值附近的过压保护部件。

更进一步地，所述过压保护部件还用于当总线电压高于保护电压阈值时、产生大于所述保护电流阈值的电流，从而将所述过流保护部件熔断、断开所述总线发送器与系统总线之间的物理连接。

具体地，所述过流保护器件为保险丝、熔丝管或者熔丝盒。

更具体地，所述过压保护部件通过齐纳二极管的正向和反向串联来实现；并通过改变正向和反向串联的齐纳二极管的个数来调整所述保护电压阈值。

另一方面，本发明的目的还在于提供一种航空总线系统，该航空总线系统包括处理器、总线控制器、总线发送器以及同时接在系统总线上的若干接收器和子系统，其特征在于，所述航空总线系统还包括一个上述任一形式下的保护电路，可以用于防止总线发送器和系统总线之间因过流产生的损害扩大。

根据本发明提供的航空总线系统及其保护电路，能够在系统总线出现过流时，将总线发送器端口的过流保护部件熔断，完全断开总线发送器与系统总线之间的物理连接，实现总线发送器与系统总线的完全隔离，以保护总线控制器、处理器等其他关键系统设备。通过总线发送器的“自我牺牲”，将系统总线上的过压、过流对系统的破坏范围限制在了发送器内部，极大的降低了过压、过流的破坏性，也最大限度的降低了系统修复成本。同时，该保护电路也能防止总线发送器自身内部由于短路、闩锁等故障引起的过压和过流传导到系统总线上，避免由于总线发送器的故障造成总线上其他接收节点的损坏。

附图说明

图1是航空总线的系统架构示意图；

图2是本发明实施例提供的航空总线保护电路的结构框图；

图3是本发明一实施例提供的航空总线保护电路的组成示意图；

图4是本发明一优选实施例提供的过压保护器件的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图2是本发明实施例提供的航空总线保护电路的结构框图；为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，如图所示：

一种航空总线保护电路100，设于总线发送器10的端口与系统总线20之间，用于防止总线发送器10和系统总线20之间因过流或者过压产生的损害扩大。具体地，所述保护电路100包括一个过流保护部件101，该过流保护部件101在总线上的电流超过保护电流阈值时即刻熔断，断开总线发送器10与系统总线20之间的物理连接，以保护总线控制器、处理器等其他关键系统设备。

作为一优选实施例，该保护电路100还包括一个过压保护部件102。该过压保护部件102设置在所述总线发送器10的输出端口与地之间，用于当总线电压高于保护电压阈值时、将电压钳位在保护电压阈值附近。进一步地，该过压保护部件102还用于当总线电压高于保护电压阈值时、产生大于保护电流阈值的电流，从而将所述过流保护部件101熔断、断开所述总线发送器10与系统总线20之间的物理连接。

在具体实现时，该过流保护器件101可以选用保险丝、熔丝管或者熔丝盒的任意一种。在总线发送器10内部增设一个过流保护器件101，其制造工艺与普通芯片的制造工艺兼容，不会增加工艺复杂性和版图层次，占用芯片的面积较小，可以方便地集成到总线发送器10的内部。

按照此思路，在总线发送器10的端口与系统总线20之间接入保护电路100，通过合理选择保险丝、熔丝管或者熔丝盒的熔断电流，来确定保护电流的阈值。系统正常工作时，保险丝、熔丝管或者熔丝盒不熔断，保持总线发送器10与系统总线20的连接。当由于总线20故障、雷击、电磁干扰等因素，在总线20上产生瞬时高压或大电流时，通过保险丝、熔丝管或者熔丝盒的电流大于保护电流阈值，保险丝、熔丝管或者熔丝盒熔断，断开总线发送器10与系统总线20的连接，从而避免系统总线20上的大电流通过总线发送器10对总线控制器、处理器等其他系统设备造成破坏。同时，该保护电路100也能防止总线发送器10自身内部由于短路、闩锁等故障引起的过压和过流传导到系统总线20上，避免由于总线发送器10的故障造成总线上其他接收节点的损坏。

同样的，在航空总线系统正常工作时，总线发送器10的输出端口与地之间增设的过压保护器件102不启动，且不会对系统正常工作造成任何影响。当总线电压高于过压保护器件102的保护电压阈值时，保护功能启动，将电压钳位在保护电压阈值附近。进行电压钳位的同时，过压保护器件102还要在极短的时间内产生足够大的电流，这个电流值要大于过流保护器件101的保护电流阈值，从而将过流保护器件101熔断，将总线发送器10与系统总线20进行隔离，避免损坏系统。过压保护器件102的保护电压阈值可调，可通过总线发送器10外部引脚对保护电压阈值进行配置，在不改变现有总线系统架构的情况下，以适应不同工作电压系统的保护要求，实现对系统的保护，提高了系统可靠性，降低了系统维护难度和维护成本。

在具体实施过程中，所述过压保护部件102可以通过齐纳二极管的正向和反向串联来实现；并通过改变正向和反向串联的齐纳二极管的个数来调整保护电压阈值。

参见图3。图3以ARINC429航空总线及其发送器为例，对本发明实施例提供的航空总线保护电路的组成进行说明。

ARINC429总线采用差分传输，传输媒介为屏蔽双绞线，AOUT和BOUT为其总线发送器的输出端口。ARINC429总线采用直接耦合方式，即总线发送器的输出端口AOUT和BOUT直接与系统总线相连。

本实施例在总线发送器输出端口AOUT和BOUT与系统总线之间分别接入保险丝F1和F2，保险丝F1、F2即为过流保护器件101。AOUT和BOUT端口输出的信号分别经过保险丝F1和F2后，再送到总线端口BUSA和BUSB。当通过保险丝F1和F2的电流大于其保护电流阈值时，保险丝F1和F2熔断，断开总线发送器端口AOUT、BOUT与总线端口BUSA、BUSB的连接，从而实现对总线发送器的过流保护。同时，在AOUT和BOUT端口与地之间分别接入过压保护器件102，实现对总线发送节点的过压保护。

实际上，若是像图3这样采用保险丝作为过流保护器件，保护电流阈值的大小可由保险丝的尺寸来决定。尺寸具体包括横截面积和长度。横截面积越大，则保险丝的熔断电流越大，即电路的保护电流阈值就越大，反之越小；长度越长，则保险丝的熔断电流越小，即电路的保护电流阈值就越小，反之则越大。因此，通过调整保险丝的尺寸，可以根据实际需求对保护电流阈值进行调整。

继续参见图3，过压保护器件102分别通过齐纳二极管的正向和反向串联来实现，改变正向和反向串联的齐纳二极管个数，可以对保护电压值进行调整。图3中，齐纳二极管D1-D4构成了总线发送器端口AOUT上的过压保护器件1021，齐纳二极管D5-D8构成了总线发送器端口BOUT上的过压保护器件1022。

具体地，D1和D2为两个反向串联的二极管，D3和D4为两个正向串联的二极管。利用齐纳二极管反向击穿时的电压钳位特性进行过压保护。根据制造工艺的不同，齐纳二极管D有不同的正向导通电压和反向击穿电压，一般情况下，齐纳二极管D的正向导通电压在0.6V～1V之间，反向击穿电压在4V～6V之间。当二极管两端的正向电压大于导通电压时，二极管正向导通，正向导通时，二极管两端压降为0.6V～1V；当二极管两端的反向电压大于其反向击穿电压时，二极管发生反向击穿，产生大电流，并将其两端的电压钳位在击穿电压值附近。为方便起见，假设齐纳二极管D的正向导通电压为0.7V，反向击穿电压为6V，以此对过压保护器件的工作过程进行说明。

如图3所示的4个齐纳二极管分别串联后，AOUT和BOUT端口到地的击穿电压为13.4V。因此，此时AOUT和BOUT端口对地的保护电压阈值即为13.4V。当由于故障、电磁干扰或者雷击等原因，系统总线上出现高于13.4V的正电压时，齐纳二极管D1和D2、D5和D6发生反向击穿，同时D3和D4、D7和D8正向导通，过压保护器件启动，将AOUT和BOUT端口的电压钳位在13.4V左右，同时产生从总线BUSA、BUSB分别经过保险丝F1和F2，再经过齐纳二极管D1～D4、D5-D8到地的大电流，将保险丝都熔断，断开AOUT和BOUT与总线的连接，避免高压传导到内部电路，造成总线控制器等其他系统部件的损坏。当总线上出现低于-13.4V的负电压时，齐纳二极管D3和D4、D7和D8发生反向击穿，同时D1和D2、D5和D6正向导通，将AOUT和BOUT端口的电压钳位在-13.4V左右，同时产生从地分别经过齐纳二极管D1～D4、D5-D8，再经过保险丝到总线的大电流，将保险丝熔断，断开AOUT和BOUT与总线的连接，避免负高压对系统造成破坏。

图4示出了过压保护器件的另一种结构。在该图4中，仍然以四个齐纳二极管的正向和反向串联来进行举例说明，其中，D1和D2为两个反向串联的二极管，D3和D4为两个正向串联的二极管。与图3所示的保护电路不同的是，可以通过控制开关S1、S2和S3的断开和闭合，选择接入保护电路中的正向和反向串联的齐纳二极管个数，从而改变保护电路的保护电压阈值，以满足不同工作电压总线系统的电压保护需求。以图4所示电路结构为例，当开关S1、S2和S3均断开时，二极管D1～D4都接入电路，此时保护电压阈值最大，保护电压的最大值为13.4V；当开关S1、S2和S3均闭合时，二极管D1接入电路，D2、D3、D4被短路，此时保护电压最小，保护电压最小值为6V。以此为例，说明控制连接在齐纳二极管两端开关的通断，可以设置不同的电压保护阈值，进而可以满足不同工作电压系统的保护要求。

此外，本发明实施例还提供一种航空总线系统。该航空总线系统包括处理器、总线控制器、总线发送器以及同时接在系统总线上的若干接收器和子系统，其特征在于，所述航空总线系统还包括一个保护电路，用于防止总线发送器和系统总线之间因过流或过压产生的损害扩大。该保护电路即为上述各实施例和附图提供的保护电路，在此就不再赘述。

综上，根据本发明提供的航空总线系统及其保护电路，能够在系统总线出现过流时，将总线发送器端口的过流保护部件熔断，完全断开总线发送器与系统总线之间的物理连接，实现总线发送器与系统总线的完全隔离，以保护总线控制器、处理器等其他关键系统设备。通过总线发送器的“自我牺牲”，将系统总线上的过压、过流对系统的破坏范围限制在了发送器内部，极大的降低了过压、过流的破坏性，也最大限度的降低了系统修复成本。同时，该保护电路也能防止总线发送器自身内部由于短路、闩锁等故障引起的过压和过流传导到系统总线上，避免由于总线发送器的故障造成总线上其他接收节点的损坏。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了较详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改、或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航空总线保护电路，用于防止总线发送器和系统总线之间因过流或过压产生的损害扩大，其特征在于，所述保护电路设于所述总线发送器的端口与系统总线之间，包括一个当电流超过保护电流阈值时即刻熔断、断开所述总线发送器与系统总线之间的物理连接的过流保护部件。

2.如权利要求1所述的航空总线保护电路，其特征在于，所述保护电路还包括设置在所述总线发送器的端口与地之间的，用于当总线电压高于保护电压阈值时、将电压钳位在保护电压阈值附近的过压保护部件。

3.如权利要求2所述的航空总线保护电路，其特征在于，所述过压保护部件还用于当总线电压高于保护电压阈值时、产生大于所述保护电流阈值的电流，从而将所述过流保护部件熔断、断开所述总线发送器与系统总线之间的物理连接。

4.如权利要求1所述的航空总线保护电路，其特征在于，所述过流保护器件为保险丝、熔丝管或者熔丝盒。

5.如权利要求3所述的航空总线保护电路，其特征在于，所述过压保护部件通过齐纳二极管的正向和反向串联来实现；并通过改变正向和反向串联的齐纳二极管的个数来调整所述保护电压阈值。

6.一种航空总线系统，包括处理器、总线控制器、总线发送器以及同时接在系统总线上的若干接收器和子系统，其特征在于，所述航空总线系统还包括一个保护电路，用于防止总线发送器和系统总线之间因过流或过压产生的损害扩大；所述保护电路设于所述总线发送器的端口与系统总线之间，包括一个当电流超过保护电流阈值时即刻熔断、断开所述总线发送器与系统总线之间的物理连接的过流保护部件。

7.如权利要求6所述的航空总线系统，其特征在于，所述保护电路还包括设置在所述总线发送器的端口与地之间的，用于当总线电压高于保护电压阈值时、将电压钳位在保护电压阈值附近的过压保护部件。

8.如权利要求7所述的航空总线系统，其特征在于，所述过压保护部件还用于当总线电压高于保护电压阈值时、产生大于所述保护电流阈值的电流，从而将所述过流保护部件熔断、断开所述总线发送器与系统总线之间的物理连接。

9.如权利要求6所述的航空总线系统，其特征在于，所述过流保护器件为保险丝、熔丝管或者熔丝盒。

10.如权利要求8所述的航空总线系统，其特征在于，所述过压保护部件通过齐纳二极管的正向和反向串联来实现；并通过改变正向和反向串联的齐纳二极管的个数来调整所述保护电压阈值。