一種改進型高速1553B 總線發(fā)送器斜率控制電路

劉士全，唐海洋，顧林

(中科芯集成電路有限公司，江蘇 無錫 214072)

0 引言

MIL-STD-1553 數(shù)據(jù)總線因其高可靠性等諸多優(yōu)點被廣泛應用于武器裝備，實現(xiàn)傳感器、各個分系統(tǒng)的信息共享與傳輸[1-2]。但隨著軟件技術(shù)的革新和更快處理器的誕生，傳統(tǒng)1553B 僅僅1 Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速度已無法滿足現(xiàn)代武器裝備研發(fā)的需求[3]，這也就催生了很多更高更快的通信方式，如時間觸發(fā)網(wǎng)絡(TTE)和FC-AE-1553。

近年來，時間觸發(fā)網(wǎng)絡的提出，在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加了時間同步機制和流量調(diào)度算法，具有低誤碼率、低延時、高帶寬、高速率等優(yōu)勢，能夠適用于未來航天技術(shù)的需求[4-5]，但時間觸發(fā)網(wǎng)絡還處在協(xié)議完善階段，離投入實際應用還需要時間；FC-AE-1553 在光纖傳輸?shù)幕A(chǔ)上定義了對MIL-STD-1553 的上層協(xié)議映射，使其達到高速率的同時兼顧穩(wěn)定性[6]，但FC-AE-1553需要改變其物理層，不同形式的信道，其組網(wǎng)方式和連接介質(zhì)均需重新選擇和改變，這也就導致了研發(fā)成本的上升[7]。

因此，高速1553B 通信的設(shè)計是一個行之有效的方式，在提升通信速率的同時，保留了組網(wǎng)方式、連接介質(zhì)的一致性，降低了武器裝置研發(fā)的成本[8]。業(yè)內(nèi)對高速1553B 總線的研究也日趨增多，文獻[9]介紹了2 Mb/s 速率1553B 總線仿真卡的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)；文獻[10]提供了一種4 Mb/s 速率1553B 總線測試平臺的實現(xiàn)方法，該測試平臺能夠支持4 Mb/s 速率1553B 的電氣特性參數(shù)和總線協(xié)議功能測試。

本文設(shè)計了一種新型的收發(fā)器斜率控制電路，并應用于高速1553B 總線發(fā)送器芯片，提升了發(fā)送器的速率，改善了總線波形質(zhì)量，并與1 Mb/s 收發(fā)器完全兼容，其通信介質(zhì)、變壓器、耦合器等組網(wǎng)設(shè)備完全保持一致，極大程度降低了裝備升級的成本。測試表明，設(shè)計的總線收發(fā)器通信速率滿足4 Mb/s 的性能要求，斜率控制電路有效保證了發(fā)送器性能。

1 發(fā)送器功能與架構(gòu)

如圖1 所示，電壓型1553B 發(fā)送器主要由邏輯控制電路、斜率控制電路、驅(qū)動及輸出電路組成[11]。邏輯控制電路的作用是識別使能信號，當TXINH 使能信號為低時，發(fā)送器使能有效；TXINH 為高時，發(fā)送器處于關(guān)閉狀態(tài)；保證輸入信號TX、NTX 為一對曼徹斯特Ⅱ編碼互補信號，如出現(xiàn)同時為高電平或低電平時，關(guān)斷電路。輸出及驅(qū)動電路將曼徹斯特Ⅱ編碼信號轉(zhuǎn)化為BUS 端總線符合1553B 信號特征的信號輸出，驅(qū)動變壓器，增強帶載能力。斜率控制電路的作用是調(diào)節(jié)輸出信號的上升時間、下降時間、總線幅值參數(shù)。

圖1 發(fā)送器電路原理圖

分析發(fā)送器的電路組成可知，發(fā)送器的邏輯控制電路由于都是由數(shù)字電路組成，不存在速率限制的瓶頸，其斜率控制電路因其負責總線信號關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)節(jié)，在實現(xiàn)1553B 發(fā)送速度提升中起到關(guān)鍵的作用。

2 斜率控制電路

2.1 一種典型的斜率控制電路

上升時間、下降時間、總線幅值是1553B 通信規(guī)范的重要參數(shù)[12]。斜率控制電路通過調(diào)節(jié)主回路PMOS 管驅(qū)動信號的上升時間和下降時間，并提供對主回路PMOS管的驅(qū)動能力，從而調(diào)節(jié)發(fā)送器總線輸出信號的上升時間和下降時間，驅(qū)動能力越強，總線輸出幅值越高。

圖2 所示為某型號的1553B 發(fā)送器的斜率控制電路，其工作原理是，輸入控制信號S+、S-為曼切斯特Ⅱ編碼互補信號，當輸入控制信號S+為高電平時，下級NMOS管Q3 導通，上級PMOS 管Q2 截止，此時主回路PMOS管Q1 導通，電流為后級的變壓器充電，從而在1553B 總線上輸出信號；當輸入控制信號S+為低電平時，下級NMOS管Q3 截止，上級PMOS 管Q2 導通，此時主回路PMOS管Q1 截止，關(guān)斷輸出。驅(qū)動信號的上升下降時間由兩部分電路調(diào)節(jié)，分別是電阻R1、R2 的值和電容C1，電阻R1、R2 電阻值調(diào)節(jié)驅(qū)動電路的電流，決定主回路PMOS 管Q1 的開啟關(guān)閉速度，電容C1 調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的上升下降時間。同理，S-的作用機理與S+一致。

圖2 典型的斜率控制電路原理圖

該型斜率控制電路應用在1 Mb/s 標準速率下，能取得比較好的效果。但將其速度提高到4 Mb/s 及以上速度時，就會出現(xiàn)如下問題，如圖3 所示。

圖3 典型斜率控制電路仿真波形圖

(1)驅(qū)動信號：低電平不到0 V，且具有很大的雜波，導致驅(qū)動能力不足；

(2)總線上波形幅值偏低，幅值為2 V，離1553B 規(guī)范要求6 V～9 V 有較大差距，且具有很大的雜波。

分析原因如下，驅(qū)動信號驅(qū)動能力不足主要原因是電阻R1、R2(也包括電阻R3、R4)的阻值過大?？紤]到后端連接的是變壓器負載，工作在高頻高速率的工況下，變壓器的電感儲存能量，在主回路的PMOS 管Q1(也包括Q4，下文表述Q1、Q4 的原理一致)開啟關(guān)斷時刻得不到有效釋放，引起變壓器次級線圈輸出信號形成振蕩，所以體現(xiàn)為雜波，振動消耗了能量，體現(xiàn)為總線上幅值偏低，并引起上升時間和下降時間偏慢。

2.2 改進型斜率控制電路

本文提出一種改進型斜率控制電路，如圖4 所示。在圖2 的基礎(chǔ)上，減少了主回路PMOS 管Q1 柵極驅(qū)動回路R1、R2 電阻值，增強其驅(qū)動能力，有利于提升上升時間和下降時間，更適應高頻高速率的工作場景。同時，在變壓器的初級并聯(lián)了RC 緩沖電路，在主回路PMOS管導通與關(guān)斷的瞬間，及時地將電感線圈中的儲存電能釋放掉。采用本文設(shè)計的斜率控制電路構(gòu)建發(fā)送器，可沿用1 Mb/s 接收器，其通信介質(zhì)、耦合器均無需改變，保持與1 Mb/s 1553B 的兼容性。

圖4 改進型斜率控制電路原理圖

RC 緩沖電路的工作原理如下：在主回路PMOS 管Q1關(guān)斷的瞬間，變壓器繞組等效成一個電感，電感阻止電流發(fā)生突變，并產(chǎn)生感應電壓，與直流電源電壓Uc串聯(lián)一起加在PMOS 管Q1 兩端,此時，Q1 兩端的尖峰電壓Us為：

式中：Us為PMOS 管Q1 兩端的尖峰電壓；Uc為直流電源電壓；Lc為變壓器等效電感，Ls為電路雜散電感，di/dt為Q1 管源極和漏極電流變化速率。

RC 緩沖電路的作用是吸收Q1 管關(guān)斷時產(chǎn)生的過電壓，其本質(zhì)是靠吸收電容C 來吸收掉變壓器等效電感和雜散電感產(chǎn)生的能量，即能量的轉(zhuǎn)移，因此確定吸收電容C 的容值大小[13]。電路中存儲在總電感中的能量為：

吸收電容上需要吸收的能量為：

△U 為總電感產(chǎn)生的過電壓，即△U=Um-Uc，其中，Um可通過示波器測試電感得到，Uc為直流電壓。

假設(shè)關(guān)斷前存儲電感中的磁能在Q1 關(guān)斷時完全轉(zhuǎn)化為C 中電能。因此就有:

從而求得吸收電容的容值為：

因為吸收電容C 在Q1 管導通時存儲的能量為：

其中f 為電路的開關(guān)頻率。

存儲在總電感上的能量為：

式中，I0為Q1 管的關(guān)斷電流。

因此，消耗在吸收電阻R 上的功率P 為：

因為RC 緩沖電路是隨著Q1 管的開關(guān)而循環(huán)工作的，因此在Q1 管導通期間,存儲在吸收電容C 中的能量必須通過電阻R 消耗掉，只要滿足τ=RC 小于1/4 的Q1管導通時間，就可以保證電容C 中絕大部分能量的釋放,不會影響下一次吸收[14]，因此吸收電阻可以通過下式來確定：

式中，τ0為Q1 管的導通時間。

但是R 也不是越低越好的，因為吸收電路中存大電流振蕩，Q1 管導通時的電流峰值也會相應增加[15]，因此在滿足上式的情況下盡量使R 設(shè)得高一點,具體可參考式(10)：

綜上所述吸收電阻R 為：

根據(jù)圖中器件所給出的參數(shù)按照式(5)和式(11)可得出吸出電阻大約為20 Ω，吸收電容大約為12 nF。

2.3 電路仿真與分析

使用電路仿真工具，對改進型斜率控制電路進行仿真，得到總線波形和PMOS 管Q1 柵極驅(qū)動信號的仿真波形如圖5 所示。

圖5 改進型斜率控制電路仿真波形圖

對比圖3 和圖5 可以看出：

(1)驅(qū)動信號：典型斜率控制電路在4 Mb/s 速率下，驅(qū)動信號低電平為2 V，體現(xiàn)對主回路PMOS 管的驅(qū)動能力不足，導致總線波形幅值不夠，因為驅(qū)動信號具有很大的雜波，導致總線信號毛刺太大。圖5 顯示驅(qū)動信號波形平滑且低電平可以達到0 V，對于主回路的PMOS管驅(qū)動能力有了較大提高。

(2)總線波形：典型斜率控制電路總線輸出幅值為2 V，改進型斜率控制電路輸出波形幅值為7 V，且波形平滑無毛刺，說明RC 緩沖電路的引入，對總線波形的改善效果明顯。

3 收發(fā)器性能測試

使用0.5 μm COMS 工藝流片，封裝后按照1553B 規(guī)范對其進行測試。4 Mb/s 速率下總線波形如圖6 所示。從圖6 可以看出，在4 Mb/s 速率下，總線波形平滑無毛刺，跟仿真結(jié)果一致，說明改進型斜率控制電路，特別是RC 緩沖電路取得了較好效果。表1 列舉了該發(fā)送器在4 Mb/s 速率下其主要電參數(shù)的值，各項指標符合規(guī)范要求。

圖6 總線波形圖

表1 發(fā)送器主要電參數(shù)表

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種新型的收發(fā)器斜率控制電路，并應用于高速1553B 總線發(fā)送器芯片，提升了發(fā)送器的速率，改善了總線波形質(zhì)量，并與1 Mb/s 收發(fā)器完全兼容，其通信介質(zhì)、變壓器、耦合器等組網(wǎng)設(shè)備完全保持一致，極大程度降低了裝備升級的成本。測試表明，設(shè)計的總線收發(fā)器通信速率滿足4 Mb/s 的性能要求，斜率控制電路有效保證了收發(fā)器性能。