單片機(jī)如何保護(hù)電路

正確的電路保護(hù)方法可以大大提高產(chǎn)品或設(shè)計(jì)的可靠性。不幸的是，并非所有電路保護(hù)都以保險(xiǎn)絲和瞬態(tài)電壓抑制之類的硬件形式出現(xiàn)。某些形式的電路保護(hù)可能來自軟件，這可能會(huì)造成混亂。在本文中，我們將探討單片機(jī)如何保護(hù)電路。

一、 單片機(jī)的基本保護(hù)

在設(shè)計(jì)用于單片機(jī)的電路保護(hù)電路時(shí)，首先考慮基礎(chǔ)知識(shí)。這意味著，連接到導(dǎo)體且暴露于外界的任何數(shù)字引腳(例如連接器)均需使用齊納二極管和限流電阻器進(jìn)行適當(dāng)保護(hù)。如果模擬輸入也連接到外部導(dǎo)體，則還要具有齊納二極管和限流措施。

由于其CMOS特性，單片機(jī)設(shè)計(jì)也對(duì)嘈雜的電源軌敏感(嘈雜的電源線會(huì)導(dǎo)致邏輯門無法正確操作)。因此，使用正確類型的去耦電容器很重要。大容量電容器(例如極化電容器)可用于處理外圍設(shè)備和大功率設(shè)備的突然功率需求。另一方面，小型無極性電容器可用于減少電源軌上的開關(guān)噪聲。

通常需要在單片機(jī)的每對(duì)電源引腳上放置等效串聯(lián)電阻(ESR)值低的小型無極性電容器。例如，PIC18F45K22具有兩對(duì)輸入電源(VDD和VSS)，每對(duì)輸入電源應(yīng)直接連接一個(gè)低值陶瓷電容(例如10nF)。

二、電路保護(hù)的類型

到目前為止，上述保護(hù)方法通常是被動(dòng)的，只能應(yīng)對(duì)電涌。其他形式的電路保護(hù)又如何呢?

盡管電壓和電流浪涌會(huì)損壞單片機(jī)，但不可靠的電源和電源中斷無疑會(huì)造成更大的損壞(只是物理意義上而言)。通常，在降低的電壓下工作時(shí)，電路很少受到損壞，但是涉及數(shù)字邏輯的電路的行為可能會(huì)出乎意料。

從局外人的角度來看，以單片機(jī)為基礎(chǔ)的電路在降低的電壓下運(yùn)行仍然可以驅(qū)動(dòng)顯示器并運(yùn)行固件(因此似乎可以正常工作)，但是來自外部源(例如I2C設(shè)備)的數(shù)據(jù)可能會(huì)變得不可靠，因?yàn)樗鼈儠?huì)不能在正確的電壓水平下運(yùn)行，這會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的可靠性。如果電路在控制安全設(shè)備，則只有一半電路在工作，否則有造成嚴(yán)重傷害的危險(xiǎn)。

那么，如何保護(hù)電路免受功率降低呢?

三、單片機(jī)中的掉電檢測

雖然通?？梢酝ㄟ^使用外部分立元件(例如保險(xiǎn)絲和二極管)來減輕過電壓和電流，但降低功率(稱為掉電)的難度卻更大。

一種方法是設(shè)計(jì)專用電路，該電路可以在小電壓電平下運(yùn)行并主動(dòng)監(jiān)視電源軌。這種方法的問題在于，它可能會(huì)增加設(shè)計(jì)價(jià)格以及最終PCB的復(fù)雜性。但是，通常有很多資源可能會(huì)減輕設(shè)計(jì)師的成本。那就是單片機(jī)本身?；趩纹瑱C(jī)的設(shè)計(jì)通常具有備用的外設(shè)，引腳，存儲(chǔ)器和處理時(shí)間。這意味著設(shè)計(jì)人員無須在設(shè)計(jì)中包括其他組件即可執(zhí)行有源電路健康狀況監(jiān)視。一些單片機(jī)包含掉電外設(shè)，這可能導(dǎo)致復(fù)位并設(shè)置標(biāo)志以向固件指示已檢測到掉電。

那么，如何用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)基本的電路監(jiān)控系統(tǒng)呢?

1.單片機(jī)輸入電壓

下面為基于單片機(jī)的電路保護(hù)的基本布局，僅需要兩個(gè)硬件即可。備用模擬輸入和內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)。當(dāng)帶隙基準(zhǔn)電壓源提供基準(zhǔn)電壓時(shí)，需要使用模擬輸入來測量外部VDD電壓。由于ADC通常是如何工作的，因此不能低估帶隙基準(zhǔn)的重要性。ADC將產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制輸出，其值與ADC和ADC的兩個(gè)參考電壓成正比。如果ADC參考為電源軌，則VDD電源軌的ADC讀數(shù)將始終為最大值。帶隙基準(zhǔn)的使用為ADC提供了一個(gè)電壓基準(zhǔn)，該基準(zhǔn)與電源電壓無關(guān)，因此允許單片機(jī)測量電源電壓。

2.掉電檢測電路

另外，我們可以使用掉電檢測電路，但這只在電源足以運(yùn)行單片機(jī)而非外部硬件的情況下有用。遺憾的是，該方法無法保護(hù)單片機(jī)掉電。在掉電情況下，需要專用的掉電檢測電路或具有自己的掉電檢測系統(tǒng)的單片機(jī)。對(duì)于許多設(shè)計(jì)人員而言，在產(chǎn)品成本，組件數(shù)量和PCB面積方面，使用額外的外部電路過于昂貴。因此，通常使用帶有內(nèi)置掉電檢測外設(shè)的單片機(jī)。

現(xiàn)在，單片機(jī)都帶有掉電保護(hù)功能，一旦檢測到掉電，就會(huì)復(fù)位，并設(shè)置一個(gè)特殊的CPU標(biāo)志來通知用戶發(fā)生了掉電復(fù)位。由于MCU執(zhí)行復(fù)位操作，因此必須首先執(zhí)行特殊的處理程序，該處理程序檢查CPU標(biāo)志(包括掉電標(biāo)志)。如果設(shè)置了該標(biāo)志，則可以采取特定的措施，例如關(guān)閉外圍設(shè)備并顯示警告燈。

審核編輯：湯梓紅