電源瞬時波動對微機的影響及防護

近年來，微機系統(tǒng)在工業(yè)自動化，生產(chǎn)過程控制，智能化儀器儀表等領域的應用越來越深入和廣泛，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。最常見也最嚴重的一種干擾源就是市電電網(wǎng)頻繁出現(xiàn)的瞬時掉電和下跌，他可使微機系統(tǒng)程序亂飛，控制失誤，造成重大損失或傷亡事故。因此，研究電源瞬時波動對微機系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的電磁兼容性，有很高的實用價值。

1 電源瞬時波動形成的原因及其對微機系統(tǒng)的影響

1.1 電源瞬時波動形成的原因

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

電網(wǎng)電壓瞬時波動的原因很多。例如，當電網(wǎng)遭到雷擊或雷電感應時，可造成不小于0.1 s的瞬時停電，絕大多數(shù)情況可達0.3 s以上。電力輸送線方面的事故也是產(chǎn)生電網(wǎng)電壓瞬時波動的一個主要原因，90％的電力線事故會導致電網(wǎng)有5～8個周期的瞬時停電[1]。工業(yè)現(xiàn)場的大功率設備啟動運行時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)電壓的瞬時波動，有的大功率電機啟動時，會導致附近電網(wǎng)電壓瞬時
下跌20％，持續(xù)30個周期之久[2]。

1.2 電源瞬時波動對微機系統(tǒng)的影響

電網(wǎng)電壓的瞬時波動可直接導致系統(tǒng)內(nèi)部電源電壓的瞬時下跌，對微機系統(tǒng)的工作造成嚴重干擾，主要表現(xiàn)在以下幾個方面[3]：

使數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)；改變PC值，使程序運行失常。

2 對電源瞬時波動干擾的防護

2.1采用快速交流穩(wěn)壓器

采用快速交流穩(wěn)壓器可輸出穩(wěn)定的220 V交流電，從而消除電網(wǎng)電壓瞬時波動對微機系統(tǒng)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，由內(nèi)部逆變電源給微機供電，他能有效地防止電網(wǎng)的瞬時停電或電網(wǎng)電壓的瞬時跌落。在要求較高的微機系統(tǒng)中，UPS是必不可少的設備。

2.3 加大系統(tǒng)內(nèi)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)電壓瞬時波動的影響。當平滑電容為470μF時，可承受O.5個周期20％下跌幅度的瞬時波動；當電容為4 700μF時，可抵抗6.5個周期100％下跌幅度的瞬時波動。

對持續(xù)時間較長的波動，只靠增大電容是不行的，這時應考慮用輔助電源。采用浮動充電方式的輔助電源的配置如圖1所示。正常工作時，整流電路輸出的脈動直流電源經(jīng)R給電池E充電；當瞬時波動發(fā)生時，電池經(jīng)二極管給系統(tǒng)供電，大大提高了系統(tǒng)抗電源波動干擾的能力。不僅如此，由于電池相當于一個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效果。

2.4 利用系統(tǒng)本身功能消除電源瞬時波動的影響

由于交流穩(wěn)壓器和UPS的造價高，配置麻煩，要求不高的微機系統(tǒng)一般不采用上述措施，而是利用系統(tǒng)本身功能，采取預先檢測手段，在瞬時波動還沒有影響到系統(tǒng)工作時，使其迅速回到開機時的初始狀態(tài)。

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

當電源瞬時停電時，+5 V供電因停電而很快下降，電容C通過VD放電。自動復位電路及瞬時停電時電容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RAM中數(shù)據(jù)將遭到破壞。因此，只依靠簡單的RC復位電路不能解決電源瞬時波動所帶來的問題。

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

更完善的措施是，不僅保護RAM內(nèi)容，而且還進行人棧操作，然后再讓CPU停止工作。當電源恢復時，再從堆棧中取出數(shù)據(jù)，使程序繼續(xù)進行下去，而不是重新開始。圖4是某微機處理電源瞬時停電的各種信號時序圖。電源瞬時停電時，停電信號PD為低，觸發(fā)單穩(wěn)電路產(chǎn)生一個負脈沖送至CPU的NMI端，CPU響應中斷，自動產(chǎn)生RST指令，把PC中下一條要執(zhí)行指令的16位地址送入堆棧保存，同時在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(tǒng)再次啟動。該方案還可以忽略電源恢復后100 ms內(nèi)電源的再次波動。

但是實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?shù)谝淮瓮ｋ娀謴秃?，MS信號變高，其后，RESET信號也變高。在系統(tǒng)剛要啟動時，第二次停電又產(chǎn)生了，NMI再次變低，如圖5所示。這時的中斷申請等于被忽視，因為他并不能做出停電處理，將數(shù)據(jù)進行入棧操作，而且，因MS信號已變高，在第二次停電發(fā)生6 ms內(nèi)存儲器也不能被禁止。在此期間系統(tǒng)卻發(fā)生了再啟動，CPU將第一次停電時人棧的數(shù)據(jù)從堆棧中取出，開始停電前的程序作業(yè)。而在第二次停電恢復正常時也同樣從堆棧中取出數(shù)據(jù)。由于忽視了一次NMI信號，少了一次入棧動作，所以整個程序就亂了。解決這個問題的辦法是，保證在停電信號后6 ms內(nèi)CPU不進行任何處理。這樣即使再有停電情況發(fā)生也不會進行棧操作，再啟動時，取出的就是第一次停電時的入棧數(shù)據(jù)。

為確保RAM數(shù)據(jù)不遭破壞，建議使用非易失性RAM(NVRAM)及E2PROM等專用存儲器。另一種方法是在計算機內(nèi)部加裝專給RAM供電的后備電源，RAM采用CMOS靜態(tài)讀寫存儲器，這種存儲器在斷電時只需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例。當電源電壓下降到4.5 V時，4046的開關斷開，RAM的片選信號上拉至"1"，RAM中的數(shù)據(jù)不被沖失；當電源繼續(xù)下降至3.6 V時，由蓄電池給RAM供電。

3 結(jié) 語

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