电力FTU的单核心解决方案-电路图讲解-电子技术方案
目前市面上大多电力FTU产品均采用MCU+MPU双处理器架构，以利用MCU的实时性和MPU上运行的稳定的网络协议和文件系统资源。那么，我们是否可以把MCU+MPU的结构用一个MPU来替代呢？答案是完全可以，这里大家介绍一种单处理核心的FTU实现方案。 FTU全名是馈线终端设备，是配电自动化系统中重要的监控设备。具有遥控、遥信，故障检测功能，并与配电自动化主站通信，提供配电系统运行情况和各种参数即监测控制所需信息，包括开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的参数,并执行配电主站下发的命令，对配电设备进行调节和控制，实现故障定位、故障隔离和非故障区域快速恢复供电等功能，FTU照片如图1。
图 1 FTU
FTU硬件需要符合《DL/T721-2000 配电网自动化系统远方终端》标准，软件需要符合《IEC 60870-5-104:2009》传输规约。从以上2份标准和规约中可以提炼出FTU的3个关键实现技术点：
l遥信SOE分辨率需要达到1ms以内；
l软件协议要求数据采用文件系统存储方式，存储空间需求数量级在50M字节左右；
l要求最少2路以太网接口。
以上三点中即有实时性要求，又有比较丰富的数据处理和通信能力要求，所以常规情况会采用MCU+MPU的方案，常规硬件方案框图如图2。
图 2 FTU框图 下面我们就三个关键点逐一讨论FTU的MCU+MPU替代为AW280单核心方案的可行性。
一、1ms的SOE分辨率 从电力自动化装置事件顺序记录过程来看，影响装置SOE分辨率的主要因素有事件处理时间和装置时间精度。事件处理时间取决于装置状态量处理方式及硬件处理速度；装置时间精度取决于装置时钟芯片的准确度及装置时钟处理方式。装置最佳状态量处理方式为中断响应方式，以保证状态量可打断其它任务以最高优先级立即执行。 常规MPU运行的linux系统由于任务负载的不确定性，会导致中断响应时间的不确定性，这样就会造成装置状态量处理不及时，所以常规FTU方案中必须有一颗MCU运行的实时操作系统核心来处理状态量，以达到1ms以内的SOE分辨率。 AW280核心板搭载的AWorks操作系统为实时操作系统，其中断处理方式和MCU中常用的RTOS近似，这样就可以保证中断响应时间不低于常规方案；另外AW280核心板采用的MPU的运行速度为454MHZ，是常规的MCU主频的2倍以上，这就让AW280的中断响应会优于常规MCU处理方案，性能可以满足之前MCU+MPU才能实现的SOE分辨率。
二、文件系统。 IEC 60870-5-104:2009规定装置需要提供文件服务，有详细规定需要提供文件系统目录查询、文件读写、文件传输等功能。常规MCU对于文件系统操作的支持有限，所以常规方案中均会采用一颗MPU搭载linux系统来提供文件服务。 lAW280区别于普通MCU，可以支持NAND型FLASH，低成本实现大容量存储； lAW280核心板搭载的AWorks操作系统具有完善稳定的文件系统； lAW280的硬件和软件性能决定了可以满足之前MCU+MPU才能实现的文件系统服务； 文件系统在AWorks系统中的位置如图3。
图 3 文件系统在AWorks系统中的位置
三、以太网需求。 FTU至少需要2路以太网来完成不同对象之间的通信，常规方案中MCU一般只具备一个网口，导致必须要多加一颗MPU来增加网络接口。 AW280搭载的IMX280芯片本身具有2路以太网，并且AWorks系统默认支持双网口。这在常规MCU上没有，在常规的RTOS上也少见双路以太网的支持。所以AW280可以满足之前MCU+MPU才能实现的多网口功能。 另外，AW280具有SPI可以连接国家电网加密IC，AW280具有5路UART可以满足周边设备通信需求。 综上所述，AW280核心板完全可以胜任FTU的功能需求，可以取代传统MCU+MPU方案。
图4 AW280系列核心板的评估板
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功耗是工业和汽车应用DC/DC转换器设计师面临的重大问题，因为这类应用需要大电流，但是空间受限。用高性能分立式组件可以构成高效率稳压器，但是其费用之高和解决方案占板面积之大却使这种方法令人难以承受。LT8612/LT8613 高效率降压型稳压器在单个 IC中集成了所有必要的组件，显著地减小了DC/DC转换器的尺寸，甚至在面对高降压比时也可以。
这些器件还可以并联，以增强输出电流能力并分散负载和热量。 包括在这些调节器中的其它期望功能有：超低静态电流以最大限度延长电池寿命；高开关频率以最大限度减小解决方案尺寸并避开噪声敏感频段。 采用3mm x 6mm封装的高效率42V、6A稳压器 LT8612/LT8613是42V、6A降压型单片式稳压器。其集成的高效率电源开关功耗很低，因此这些开关、升压二极管、内部补偿和所有必要的电路都密封在一个纤巧的3mm x 6mm QFN 封装中，不会产生过热问题。
图 1 显示了一个典型的5V/30W LT8612转换器，其效率和功耗如图2所示。甚至在 24V 输入电压时，LT8612也能产生30W输出，且温升不超过 50°C。在负载范围的另一端，LT8612/LT8613以低纹波突发模式 (Burst Mode) 运行，以在超低负载情况下提高效率。
图 1：采用 LT8612 的 5V/30W 降压型转换器
图 2：图 1 所示 5V/30W LT8612 降压型转换器的效率和功耗 EFFICIENCY：效率 POWER LOSS：功耗 LOAD CURRENT：负载电流 LT8612 / LT8613 的最小接通时间短至 40ns，从而允许很高的 VIN/VOUT 比，即使在很高的开关频率时也是如此。高达 2.2MHz 的开关频率最大限度减小了功率电感器和输出电容器的尺寸和值。此外，可以基于输出负载要求有把握地改变电感器的大小，而无需使用较大的电感器来进行设计，这是器件的高速峰值电流模式架构和可靠的开关设计带来的结果。
多相设计增强输出电流能力
在汽车和工业应用中，超过 6A 的负载并非不常见。就这些电流相对较大的情况而言，多相设计可以增强 LT8612 / LT8613 稳压器的输出能力。LT8613 具内置轨至轨电流检测放大器以及监视器和控制引脚，从而可实现准确的输入或输出平均电流调节。这个电流环路调节内部开关电流限制，这样跨 ISP / ISN 引脚的电压就不会超过 ICTRL 引脚设定的电压。另一个 IMON 引脚用来监视通过 ISP / ISN 引脚测量的平均电流。这种电流控制功能可在几个 LT8613 之间实现准确的均电，而无需任何额外的控制电路。
图 3 显示了三个 LT8613 并联以提供高达 16A 输出的电路。最上面一个 LT8613 是主稳压器，其输出电压设定为 4V，另外两个 LT8613 是从属稳压器，其输出电压设定为略高于 4V。
图 3：以一个三相设计的 3 个并联 LT8613 在 4V VOUT 时提供 16A 为了在 3 个 LT8613 稳压器之间均流，主稳压器 LT8613 的 IMON 引脚连至从属 LT8613 的 ICTRL 引脚。3 个 LT8613 稳压器由 LTC6909 振荡器产生的三相 700kHz 时钟信号 (120° 相移) 同步。图 4 显示了这个三相 LT8613 设计的热像。这些 LT8613 的温度相似表明，三相之间的电流是均匀分配的。这个设计的效率如图 5 所示。
图 4：三相 LT8613 设计的热像显示，电流均分是平衡的
图 5：图 3 所示三相 LT8613 设计的典型效率曲线 EFFICIENCY：效率 LOAD CURRENT：负载电流 如果期望给这些相位之间的均流加权，也就是说让电流均分不平衡，那么简单地调节跨 ISP 和 ISN 引脚的检测电阻值即可。
结论 LT8612和LT8613是全面集成的高功率密度单片式降压型稳压器，可满足挑战性的汽车和工业应用需求。这些稳压器能够非常方便地并联，以用于高效率、大电流应用，构成占板面积紧凑的解决方案。
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