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电源电路中的高性价比掉电保护电路设计
接线图
2023年10月20日 20:36 152
admin
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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