經(jīng)典高性?xún)r(jià)比掉電保護電路詳細設計方案

　　引言　對 于 各 類(lèi) M CU （ 微 控 制 器 ） 來(lái) 說(shuō) ， 電 源 不 僅 用 來(lái) 供 電，也是其基準源精度的保證。掉電之后，MCU會(huì )停止工 作、時(shí)鐘停止、RAM（隨機存取存儲器）數據丟失等不良 后果，因此必須保證電源本身的高可靠性。掉電保護電路可 以說(shuō)是不勝枚舉，然而適合整機要求的、性?xún)r(jià)比高的、便于 量產(chǎn)的電路應該是工程師追求的目標。

　　1 方案選擇

　　結合《Q/GDW1364-2013單相智能表技術(shù)規范》的要 求，我們設計了一款單相費控智能電能表電源。該電源除了 需要滿(mǎn)足電源的一般要求外，還要求體積小、功耗低、性?xún)r(jià) 比 高 、 三 路 輸

　　出（13V/2W的 拉 合 閘 電 源 、

　　1 2 。 4 V / 1 。 5 W 的 載 波 接 口 電 源 和 5 V / 0 。 3 W 的 M CU 電源） 共 地 且 載 波 接 口 電 源 （ 以 下 簡(jiǎn) 稱(chēng) V 1 2 ） 短 路時(shí)不得影響拉合閘電源（以下簡(jiǎn)稱(chēng)V13）和MCU電源（以下 簡(jiǎn)稱(chēng)V05）正常工作。由于體積的限制，首先排除采用純線(xiàn) 性電源的方案，其次排除了采用純開(kāi)關(guān)電源三個(gè)繞組、整 流、慮波的方案。在三路輸出中，最重要的當然是MCU電 源V05、其次是拉合閘電源V13，載波接口電源V12相對來(lái)說(shuō)

　　要求較低，據此我們采用開(kāi)關(guān)電源和線(xiàn)性混合的方案。

　　圖1 混合電源方案（V13電壓反饋部分省略）

　　2 方案優(yōu)化

　　混合方案是這樣的：V05為開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)輸出繞組， 經(jīng)二極管半波整流、電容濾波和三端穩壓器LM7805穩壓， 得到穩定的輸出；V13為開(kāi)關(guān)電源的另一個(gè)輸出繞組，經(jīng)二 極管半波整流、電容濾波和副邊電壓反饋得到穩定的輸出； V12以V13為輸入，采用晶體管穩壓電路得到比較穩定的輸 出，如圖1所示。

　　經(jīng)測試，靜態(tài)時(shí)各路輸出均符合要求。然而，當V12短 路時(shí)，V13和V05出現了嚴重掉電現象，如圖2和圖3所示。

　　由圖2可知，V13從掉電到恢復正常電壓時(shí)間達48.8ms， 對拉合閘電源來(lái)說(shuō)是不允許的。由圖三可知，V05從掉電到 恢復正常電壓時(shí)間達96ms，對MCU電源來(lái)說(shuō)是不容忍的。

　　3 整機調試

　　下面對圖1進(jìn)行理論分析：靜態(tài)時(shí)，三極管Q2導通， VC2接地，VB1被導通的三極管Q1鉗位。當V12短路瞬間， 由于電阻R3和電阻R4的分壓，三極管Q2的基極電壓VB2較 低， 不足以讓Q2導通。 Q2截止后， 電解電容CD2通過(guò)電 阻R1和電阻R2對開(kāi)始對電容C3充電，同時(shí)CD2自身也在放 電，當VB1充電到一定的電壓值時(shí)，三極管Q1截止。此后， 即使V12短路狀態(tài)沒(méi)有解除，V13仍然保持在正常的電壓值（13V）。由此可以想象，若能加速充電，在電解電容CD2電壓尚未下降或下降幅度不大、下降時(shí)間不長(cháng)，則可以認為

　　圖2 V12短路時(shí)V13的波形

　　圖3 V12短路時(shí)V05的波形

　　圖4 增加加速充電電路后的混合電源方案

　　圖5 加入快速充電電路后，V12短路 時(shí)V13的波形

　　圖6 增加臨時(shí)供電電路后的混合電源方案

　　圖7 加入臨時(shí)供電電路后，V12短路時(shí) V05的波形

　　圖8 改進(jìn)加速充電電路后的最終混合電源方案

　　V13沒(méi)有掉電。為此，在電路中增加快速充電電路，如圖4中虛線(xiàn)框所示。 經(jīng)測試，V12短路時(shí)，V13不再掉電，如圖5所示。 由圖5可知，V13的掉電問(wèn)題得到了解決。然而，V05的掉電問(wèn)題仍未解決。由圖3可知，V05從掉電到恢復正常電壓時(shí)間達96ms，

　　若 這 段 時(shí) 間 內 有 一 臨 時(shí) 的 穩 定 可 靠 的 電 源 給 三 端 穩 壓 器U1（7805）供電，則V05應

　　該就不會(huì )掉電了。 待U1 的 輸 入 端 電 壓 恢 復 正 常 后 再 切 斷 或 鉗 位 此 臨 時(shí) 電 源 即 可 。 為 此 ， 增 加 臨時(shí)供電電路，如圖6中 虛線(xiàn)框所示。

　　經(jīng) 測 試 ， V 1 2 短 路 時(shí)，V05不再掉電，如圖7所示。由 圖 7 可 知 ， V 0 5的掉電問(wèn)題也得到了解 決。進(jìn)一步研究掉電保 護電路后， 發(fā)現還有可 以改進(jìn)之處。電阻R5的阻值為2歐姆，電感L1的ESR（等效串聯(lián)電阻）為1.7歐姆。L1 作為濾波電感，串聯(lián)在母線(xiàn)的其它地方應該也是可以的， 這樣的話(huà)，如果將L1放在R5處，則L1仍然起濾波作用，且 其等效串聯(lián)電阻應該起到電阻R5的作用，如圖8中虛線(xiàn)框所

　　示。經(jīng)測試，V12短路時(shí)，V13和V05的掉電問(wèn)題仍然可以解 決。需要指出的是，將L1移到R5處看似舉手之勞，并無(wú)高 科技含量，實(shí)際上，這一舉動(dòng)有以下好處：

　?、?省去一顆物料，節省了物料成本和管理成本；

　?、?省去了兩個(gè)焊點(diǎn)，節省了加工成本；

　?、?省 下 一 定 的 空 間 ， 降 低 了 L A Y O U T （ 布 局 ） 和

　　ROUTE（布線(xiàn)）的難度；

　?、?AXIAL封裝的電感比貼片的電阻更易于散熱和耐沖

　　擊；

　?、?降低了整機的功耗

　　4 設計總結

　　最 終 的 混 合 電 源 方 案 （ 如 圖 八 所 示 ） ， 綜 合 考 慮 《 Q / GDW1364-2013單相智能表技術(shù)規范》的要求和電源產(chǎn)品本 身的特點(diǎn)，在體積有限的條件下，巧妙利用常見(jiàn)的元器件

　?。ㄈ龢O管、電感和電阻），實(shí)現了高性?xún)r(jià)比的掉電保護功 能。另外，此掉電保護電路，同時(shí)從物料采購、生產(chǎn)加工、 散熱等角度考慮，具有相當的實(shí)用價(jià)值。