電源瞬時(shí)波動(dòng)對微機的影響及防護

近年來(lái)，微機系統在工業(yè)自動(dòng)化，生產(chǎn)過(guò)程控制，智能化儀器儀表等領(lǐng)域的應用越來(lái)越深入和廣泛，有效地提高了工作效率，改善了工作條件。但是由于電磁環(huán)境的日趨惡劣和復雜，其工作的可靠性和安全性受到了嚴重威脅。最常見(jiàn)也最嚴重的一種干擾源就是市電電網(wǎng)頻繁出現的瞬時(shí)掉電和下跌，他可使微機系統程序亂飛，控制失誤，造成重大損失或傷亡事故。因此，研究電源瞬時(shí)波動(dòng)對微機系統的影響，提高系統的電磁兼容性，有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 電源瞬時(shí)波動(dòng)形成的原因及其對微機系統的影響

1.1 電源瞬時(shí)波動(dòng)形成的原因

電源瞬時(shí)波動(dòng)主要是指電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)下跌和瞬時(shí)停電。瞬時(shí)下跌是指電網(wǎng)電壓幅值因某種原因在某一瞬間突然降低；瞬時(shí)停電是指電網(wǎng)電壓在某一瞬問(wèn)突然完全為零。

電網(wǎng)電壓瞬時(shí)波動(dòng)的原因很多。例如，當電網(wǎng)遭到雷擊或雷電感應時(shí)，可造成不小于0.1 s的瞬時(shí)停電，絕大多數情況可達0.3 s以上。電力輸送線(xiàn)方面的事故也是產(chǎn)生電網(wǎng)電壓瞬時(shí)波動(dòng)的一個(gè)主要原因，90％的電力線(xiàn)事故會(huì )導致電網(wǎng)有5～8個(gè)周期的瞬時(shí)停電[1]。工業(yè)現場(chǎng)的大功率設備啟動(dòng)運行時(shí)形成相當大的沖擊電流，該電流是正常工作電流的10～40倍，他可以引起局部電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)波動(dòng)，有的大功率電機啟動(dòng)時(shí)，會(huì )導致附近電網(wǎng)電壓瞬時(shí)
下跌20％，持續30個(gè)周期之久[2]。

1.2 電源瞬時(shí)波動(dòng)對微機系統的影響

電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)波動(dòng)可直接導致系統內部電源電壓的瞬時(shí)下跌，對微機系統的工作造成嚴重干擾，主要表現在以下幾個(gè)方面[3]：

使數據采集誤差加大；引入虛假狀態(tài)信號，使控制狀態(tài)失靈；破壞RAM存儲器的數據；改變PC值，使程序運行失常。

2 對電源瞬時(shí)波動(dòng)干擾的防護

2.1采用快速交流穩壓器

采用快速交流穩壓器可輸出穩定的220 V交流電，從而消除電網(wǎng)電壓瞬時(shí)波動(dòng)對微機系統工作的影響。

2.2 采用不間斷電源UPS

不間斷電源UPS能夠在電源停電或下跌時(shí)，由內部逆變電源給微機供電，他能有效地防止電網(wǎng)的瞬時(shí)停電或電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)跌落。在要求較高的微機系統中，UPS是必不可少的設備。

2.3 加大系統內部整流電路的平滑電容和采用后備電源

增大整流電路的平滑電容，在一定程度上可消除電網(wǎng)電壓瞬時(shí)波動(dòng)的影響。當平滑電容為470μF時(shí)，可承受O.5個(gè)周期20％下跌幅度的瞬時(shí)波動(dòng)；當電容為4 700μF時(shí)，可抵抗6.5個(gè)周期100％下跌幅度的瞬時(shí)波動(dòng)。

對持續時(shí)間較長(cháng)的波動(dòng)，只靠增大電容是不行的，這時(shí)應考慮用輔助電源。采用浮動(dòng)充電方式的輔助電源的配置如圖1所示。正常工作時(shí)，整流電路輸出的脈動(dòng)直流電源經(jīng)R給電池E充電；當瞬時(shí)波動(dòng)發(fā)生時(shí)，電池經(jīng)二極管給系統供電，大大提高了系統抗電源波動(dòng)干擾的能力。不僅如此，由于電池相當于一個(gè)性能良好的旁路電容，他對10 kHz～1 MHz頻率成份的噪聲衰減有顯著(zhù)效果。

2.4 利用系統本身功能消除電源瞬時(shí)波動(dòng)的影響

由于交流穩壓器和UPS的造價(jià)高，配置麻煩，要求不高的微機系統一般不采用上述措施，而是利用系統本身功能，采取預先檢測手段，在瞬時(shí)波動(dòng)還沒(méi)有影響到系統工作時(shí)，使其迅速回到開(kāi)機時(shí)的初始狀態(tài)。

一般微機系統都有一個(gè)開(kāi)機自動(dòng)復位電路，他利用一個(gè)RC充電電路，使復位電平的建立遲于電源的建立，從而避免開(kāi)機時(shí)CPU的工作混亂。

當電源瞬時(shí)停電時(shí)，+5 V供電因停電而很快下降，電容C通過(guò)VD放電。自動(dòng)復位電路及瞬時(shí)停電時(shí)電容C的電壓波形如圖2所示[4]。當電容C上的電壓下降到低于4.75 V后，由于仍高于復位閾值電壓，并不能使CPU復位，這時(shí)RAM中數據將遭到破壞。因此，只依靠簡(jiǎn)單的RC復位電路不能解決電源瞬時(shí)波動(dòng)所帶來(lái)的問(wèn)題。

解決這種問(wèn)題的方法是增加瞬時(shí)停電檢測電路。圖3是一個(gè)微機系統的復位信號輸入電路及時(shí)序圖。當Uc低于電壓檢測值時(shí)，8211輸出為低，使CPU的READ-Y和CE2最先為低，CPU停止工作，RAM與數據總線(xiàn)隔開(kāi)。1 ms后，復位信號變低，使系統復位。電源復位后，
8211輸出為高，再過(guò)100 ms復位信號變?yōu)楦唠娖?，這樣可使CPU避開(kāi)電源電壓剛升至4.75 V后的不穩定工作區，復位信號為高后1 ms，READY和CE2變高，CPU開(kāi)始正常工作。

更完善的措施是，不僅保護RAM內容，而且還進(jìn)行人棧操作，然后再讓CPU停止工作。當電源恢復時(shí)，再從堆棧中取出數據，使程序繼續進(jìn)行下去，而不是重新開(kāi)始。圖4是某微機處理電源瞬時(shí)停電的各種信號時(shí)序圖。電源瞬時(shí)停電時(shí)，停電信號PD為低，觸發(fā)單穩電路產(chǎn)生一個(gè)負脈沖送至CPU的NMI端，CPU響應中斷，自動(dòng)產(chǎn)生RST指令，把PC中下一條要執行指令的16位地址送入堆棧保存，同時(shí)在NMI變低后6 ms產(chǎn)生禁止存儲器工作的MS信號。當電源恢復后80 ms，MS信號變高，最后復位信號變高，系統再次啟動(dòng)。該方案還可以忽略電源恢復后100 ms內電源的再次波動(dòng)。

但是實(shí)際的停電情況相當復雜，并不是單純的一次性停電，而是象振蕩一樣，重復好幾次。當第一次停電恢復后，MS信號變高，其后，RESET信號也變高。在系統剛要啟動(dòng)時(shí)，第二次停電又產(chǎn)生了，NMI再次變低，如圖5所示。這時(shí)的中斷申請等于被忽視，因為他并不能做出停電處理，將數據進(jìn)行入棧操作，而且，因MS信號已變高，在第二次停電發(fā)生6 ms內存儲器也不能被禁止。在此期間系統卻發(fā)生了再啟動(dòng)，CPU將第一次停電時(shí)人棧的數據從堆棧中取出，開(kāi)始停電前的程序作業(yè)。而在第二次停電恢復正常時(shí)也同樣從堆棧中取出數據。由于忽視了一次NMI信號，少了一次入棧動(dòng)作，所以整個(gè)程序就亂了。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是，保證在停電信號后6 ms內CPU不進(jìn)行任何處理。這樣即使再有停電情況發(fā)生也不會(huì )進(jìn)行棧操作，再啟動(dòng)時(shí)，取出的就是第一次停電時(shí)的入棧數據。

為確保RAM數據不遭破壞，建議使用非易失性RAM(NVRAM)及E2PROM等專(zhuān)用存儲器。另一種方法是在計算機內部加裝專(zhuān)給RAM供電的后備電源，RAM采用CMOS靜態(tài)讀寫(xiě)存儲器，這種存儲器在斷電時(shí)只需2.0 V電源就可以維護信息不被丟失。

圖6是RAM掉電保護的電路的實(shí)例。當電源電壓下降到4.5 V時(shí)，4046的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，RAM的片選信號上拉至"1"，RAM中的數據不被沖失；當電源繼續下降至3.6 V時(shí)，由蓄電池給RAM供電。

3 結 語(yǔ)

實(shí)踐表明，上述抑制電源瞬時(shí)波動(dòng)的措施非常有效，特別是在不用交流穩壓器和UPS的情況下，只利用系統本身功能消除電源波動(dòng)干擾的方法得到了廣泛應用，大大提高了微機系統的抗干擾能力。