电源电路中的高性价比掉电保护电路设计

类别:电源电路 发布于:2017/3/24 | 870 次阅读

引言
     对 于 各 类 M CU ( 微 控 制 器 ) 来 说 , 电 源 不 仅 用 来 供 电,也是其基准源精度的保证。掉电之后,MCU会停止工 作、时钟停止、RAM(随机存取存储器)数据丢失等不良 后果,因此必须保证电源本身的高可靠性。掉电保护电路可 以说是不胜枚举,然而适合整机要求的、性价比高的、便于 量产的电路应该是工程师追求的目标。

1  方案选择
结合《Q/GDW1364-2013单相智能表技术规范》的要 求,我们设计了一款单相费控智能电能表电源。该电源除了 需要满足电源的一般要求外,还要求体积小、功耗低、性价 比 高 、 三 路 输
出(13V/2W的 拉 合 闸 电 源 、
1 2 . 4 V / 1 . 5 W 的 载 波 接 口 电 源 和 5 V / 0 . 3 W 的 M CU 电源) 共 地 且 载 波 接 口 电 源 ( 以 下 简 称 V 1 2 ) 短 路时不得影响拉合闸电源(以下简称V13)和MCU电源(以下 简称V05)正常工作。由于体积的限制,首先排除采用纯线 性电源的方案,其次排除了采用纯开关电源三个绕组、整 流、虑波的方案。在三路输出中,最重要的当然是MCU电 源V05、其次是拉合闸电源V13,载波接口电源V12相对来说
要求较低,据此我们采用开关电源和线性混合的方案。

图1   混合电源方案(V13电压反馈部分省略)


2  方案优化
混合方案是这样的:V05为开关电源的一个输出绕组, 经二极管半波整流、电容滤波和三端稳压器LM7805稳压, 得到稳定的输出;V13为开关电源的另一个输出绕组,经二 极管半波整流、电容滤波和副边电压反馈得到稳定的输出; V12以V13为输入,采用晶体管稳压电路得到比较稳定的输 出,如图1所示。
经测试,静态时各路输出均符合要求。然而,当V12短 路时,V13和V05出现了严重掉电现象,如图2和图3所示。
由图2可知,V13从掉电到恢复正常电压时间达48.8ms, 对拉合闸电源来说是不允许的。由图三可知,V05从掉电到 恢复正常电压时间达96ms,对MCU电源来说是不容忍的。

3 整机调试
下面对图1进行理论分析:静态时,三极管Q2导通, VC2接地,VB1被导通的三极管Q1钳位。当V12短路瞬间, 由于电阻R3和电阻R4的分压,三极管Q2的基极电压VB2较 低, 不足以让Q2导通。 Q2截止后, 电解电容CD2通过电 阻R1和电阻R2对开始对电容C3充电,同时CD2自身也在放 电,当VB1充电到一定的电压值时,三极管Q1截止。此后, 即使V12短路状态没有解除,V13仍然保持在正常的电压值(13V)。由此可以想象,若能加速充电,在电解电容CD2电压尚未下降或下降幅度不大、下降时间不长,则可以认为

图2   V12短路时V13的波形     

图3   V12短路时V05的波形

图4  增加加速充电电路后的混合电源方案  

图5    加入快速充电电路后,V12短路 时V13的波形

图6   增加临时供电电路后的混合电源方案

图7   加入临时供电电路后,V12短路时 V05的波形

图8  改进加速充电电路后的最终混合电源方案
V13没有掉电。为此,在电路中增加快速充电电路,如图4中虚线框所示。 经测试,V12短路时,V13不再掉电,如图5所示。 由图5可知,V13的掉电问题得到了解决。然而,V05的掉电问题仍未解决。由图3可知,V05从掉电到恢复正常电压时间达96ms,
若 这 段 时 间 内 有 一 临 时 的 稳 定 可 靠 的 电 源 给 三 端 稳 压 器U1(7805)供电,则V05应
该就不会掉电了。 待U1 的 输 入 端 电 压 恢 复 正 常 后 再 切 断 或 钳 位 此 临 时 电 源 即 可 。 为 此 , 增 加 临时供电电路,如图6中 虚线框所示。

     经 测 试 , V 1 2 短 路 时,V05不再掉电,如图7所示。由 图 7 可 知 , V 0 5的掉电问题也得到了解 决。进一步研究掉电保 护电路后, 发现还有可 以改进之处。电阻R5的阻值为2欧姆,电感L1的ESR(等效串联电阻)为1.7欧姆。L1 作为滤波电感,串联在母线的其它地方应该也是可以的, 这样的话,如果将L1放在R5处,则L1仍然起滤波作用,且 其等效串联电阻应该起到电阻R5的作用,如图8中虚线框所
示。经测试,V12短路时,V13和V05的掉电问题仍然可以解 决。需要指出的是,将L1移到R5处看似举手之劳,并无高 科技含量,实际上,这一举动有以下好处:
① 省去一颗物料,节省了物料成本和管理成本;
② 省去了两个焊点,节省了加工成本;
③ 省 下 一 定 的 空 间 , 降 低 了 L A Y O U T ( 布 局 ) 和
ROUTE(布线)的难度;
④ AXIAL封装的电感比贴片的电阻更易于散热和耐冲
击;
⑤ 降低了整机的功耗
4 设计总结
最 终 的 混 合 电 源 方 案 ( 如 图 八 所 示 ) , 综 合 考 虑 《 Q / GDW1364-2013单相智能表技术规范》的要求和电源产品本 身的特点,在体积有限的条件下,巧妙利用常见的元器件
(三极管、电感和电阻),实现了高性价比的掉电保护功 能。另外,此掉电保护电路,同时从物料采购、生产加工、 散热等角度考虑,具有相当的实用价值。

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