高性價比掉電保護電路設計

引言
     對 于 各 類 M CU （ 微 控 制 器 ） 來 說 ， 電 源 不 僅 用 來 供 電，也是其基準源精度的保證。掉電之后，MCU會停止工 作、時鐘停止、RAM（隨機存取存儲器）數(shù)據(jù)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 以說是不勝枚舉，然而適合整機要求的、性價比高的、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(jié)合《Q/GDW1364-2013單相智能表技術(shù)規(guī)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 需要滿足電源的一般要求外，還要求體積小、功耗低、性價 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 稱 V 1 2 ） 短 路時不得影響拉合閘電源（以下簡稱V13）和MCU電源（以下 簡稱V05）正常工作。由于體積的限制，首先排除采用純線 性電源的方案，其次排除了采用純開關(guān)電源三個繞組、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相對來說
要求較低，據(jù)此我們采用開關(guān)電源和線性混合的方案。

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為開關(guān)電源的一個輸出繞組， 經(jīng)二極管半波整流、電容濾波和三端穩(wěn)壓器LM7805穩(wěn)壓， 得到穩(wěn)定的輸出；V13為開關(guān)電源的另一個輸出繞組，經(jīng)二 極管半波整流、電容濾波和副邊電壓反饋得到穩(wěn)定的輸出； V12以V13為輸入，采用晶體管穩(wěn)壓電路得到比較穩(wěn)定的輸 出，如圖1所示。
經(jīng)測試，靜態(tài)時各路輸出均符合要求。然而，當V12短 路時，V13和V05出現(xiàn)了嚴重掉電現(xiàn)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間達48.8ms， 對拉合閘電源來說是不允許的。由圖三可知，V05從掉電到 恢復正常電壓時間達96ms，對MCU電源來說是不容忍的。

3 整機調(diào)試
下面對圖1進行理論分析：靜態(tài)時，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通過電 阻R1和電阻R2對開始對電容C3充電，同時CD2自身也在放 電，當VB1充電到一定的電壓值時，三極管Q1截止。此后， 即使V12短路狀態(tài)沒有解除，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、下降時間不長，則可以認為

圖2   V12短路時V13的波形    

圖3   V12短路時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V13的波形

圖6   增加臨時供電電路后的混合電源方案

圖7   加入臨時供電電路后，V12短路時 V05的波形

圖8  改進加速充電電路后的最終混合電源方案
V13沒有掉電。為此，在電路中增加快速充電電路，如圖4中虛線框所示。 經(jīng)測試，V12短路時，V13不再掉電，如圖5所示。 由圖5可知，V13的掉電問題得到了解決。然而，V05的掉電問題仍未解決。由圖3可知，V05從掉電到恢復正常電壓時間達96ms，
若 這 段 時 間 內(nèi) 有 一 臨 時 的 穩(wěn) 定 可 靠 的 電 源 給 三 端 穩(wěn) 壓 器U1(7805)供電，則V05應
該就不會掉電了。 待U1 的 輸 入 端 電 壓 恢 復 正 常 后 再 切 斷 或 鉗 位 此 臨 時 電 源 即 可 。 為 此 ， 增 加 臨時供電電路，如圖6中 虛線框所示。

     經(jīng) 測 試 ， V 1 2 短 路 時，V05不再掉電，如圖7所示。由 圖 7 可 知 ， V 0 5的掉電問題也得到了解 決。進一步研究掉電保 護電路后， 發(fā)現(xiàn)還有可 以改進之處。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)在母線的其它地方應該也是可以的， 這樣的話，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中虛線框所
示。經(jīng)測試，V12短路時，V13和V05的掉電問題仍然可以解 決。需要指出的是，將L1移到R5處看似舉手之勞，并無高 科技含量，實際上，這一舉動有以下好處：
① 省去一顆物料，節(jié)省了物料成本和管理成本；
② 省去了兩個焊點，節(jié)省了加工成本；
③ 省 下 一 定 的 空 間 ， 降 低 了 L A Y O U T ( 布 局 ) 和
ROUTE(布線)的難度；
④ AXIAL封裝的電感比貼片的電阻更易于散熱和耐沖
擊；
⑤ 降低了整機的功耗
4 設計總結(jié)
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(guī)范》的要求和電源產(chǎn)品本 身的特點，在體積有限的條件下，巧妙利用常見的元器件
（三極管、電感和電阻），實現(xiàn)了高性價比的掉電保護功 能。另外，此掉電保護電路，同時從物料采購、生產(chǎn)加工、 散熱等角度考慮，具有相當?shù)膶嵱脙r值。