電源電壓檢測(cè)電路的分析

電源電壓檢測(cè)是常用的功能。

比如用電池供電的產(chǎn)品，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓以判斷電池的電量情況，并及時(shí)提醒用戶對(duì)電池充電或者更換電池。

再比如通過(guò)檢測(cè)電池電壓判斷斷電，及時(shí)在斷電之后采用電容上儲(chǔ)存的電荷供電，維持記錄工作，在此期間將RAM中的數(shù)據(jù)寫入flash,eeprom等非易失存儲(chǔ)器，重新上電之后再讀出恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)斷電記憶功能。

為了保證該功能的可靠性，產(chǎn)品需要滿足電源瞬斷試驗(yàn)要求。 比如對(duì)于電源50ms瞬斷，在斷電之后，并聯(lián)在供電電源兩端的電解電容可以繼續(xù)放電，維持負(fù)載正常工作。

50ms瞬斷要求電容在向負(fù)載放電50ms之后，其兩端的電壓仍能滿足設(shè)備正常工作要求。

電容容值的計(jì)算

以下面的電路為例，12V供電電源經(jīng)過(guò)LDO穩(wěn)壓，得到+3.3V向負(fù)載供電，

LDO電路

經(jīng)過(guò)測(cè)算，+3.3V電源的負(fù)載電流為50mA；

對(duì)于線性穩(wěn)壓器，其輸入電流等于輸出的負(fù)載電流加上線性穩(wěn)壓器的工作電流(也即靜態(tài)電流）；

在上圖中，Iin=Iload+IQ，從規(guī)格書上可知，其靜態(tài)電流約為6mA，這樣+12V外部電源的負(fù)載電流為50mA+6mA=56mA。

要注意的是，對(duì)DC-DC電源，其輸入電流和輸出電流需要從功率的角度通過(guò)效率來(lái)?yè)Q算；

從規(guī)格書上還可以知道，LDO的最小壓差的最大值為1.10V，即輸入電壓需要達(dá)到3.3V+1.1V=4.4V以下，LDO才能穩(wěn)定輸出+3.3V的電壓。

LDO的靜態(tài)電流以及壓差

根據(jù)這些參數(shù)， +12V輸入電源兩端的電解電容C1需要取多大的容值才能保證在斷電50ms之內(nèi)，+3.3V的電源電壓穩(wěn)定，從而負(fù)載正常工作。

當(dāng)+12V斷電之后，C1向通過(guò)LDO向負(fù)載放電，其放電電流為56mA。

從開始放電，至+3.3V能穩(wěn)定輸出+3.3V電壓的電壓降ΔU=(12-4.4)=7.6V；

由電容的電流電壓關(guān)系I=C*du/dt，得到C=I*Δt/ΔU=56mA*50ms/7.6V=368uF；

通過(guò)仿真軟件，用示波器測(cè)量斷電之后LDO輸入電壓的波形，可知當(dāng)電容以恒定的56mA的電流放電，放電到LDO穩(wěn)定輸出+3.3V的電壓4.4V所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為49.9mS，與理論分析一致。

電容以恒定電流放電的電壓波形

電解電容的容量誤差大多數(shù)一般都是標(biāo)稱±20%；

鋁電解電容器的電氣性能參數(shù)受溫度影響：隨著溫度的降低，電解液的粘度增加，從而使其導(dǎo)電性能降低，因此，溫度降低時(shí)電容量會(huì)減小，溫度上升時(shí)電容量增加，且這種現(xiàn)象比其他類型的電解電容器更加明顯；

-40℃時(shí)的容量比常溫時(shí)下降10% ；
因此，電容的容量誤差應(yīng)該以標(biāo)稱容量的±30%來(lái)考慮；

理論計(jì)算得到368uF的實(shí)際容量需求，應(yīng)該選用368F/70%=525uF的電容，可選擇680uF的電容；

軟件設(shè)計(jì)的考量

在第一部分中，根據(jù)測(cè)算得到的負(fù)載電流，設(shè)備正常工作的最低電壓，瞬斷時(shí)間要求，通過(guò)電容的電流電壓關(guān)系推算出電容的容值； 并通過(guò)電源瞬斷試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

處理器的中斷資源有限，一般情況中中斷處理函數(shù)僅用于實(shí)時(shí)性要求非常高的業(yè)務(wù)；

比如MODBUS通信；

耗時(shí)長(zhǎng)而實(shí)時(shí)性要求不好的業(yè)務(wù)一般在主循環(huán)中處理；

所以斷電檢測(cè)以及將RAM數(shù)據(jù)寫入EEPROM或者FLASH一般都在主程序中完成；

代碼中不能有while等死等待，比如軟件延時(shí)，死等ADC完成等硬件標(biāo)志。

需要評(píng)估所有中斷執(zhí)行的時(shí)間，主程序最長(zhǎng)執(zhí)行時(shí)間；

在發(fā)生斷電時(shí)，有可能需要耗費(fèi)這些時(shí)間之后才執(zhí)行輸入電壓檢測(cè)以及保存數(shù)據(jù)的程序；

對(duì)于STM32F103的處理器，擦除一頁(yè)(1kB)FLASH的時(shí)間最大為40ms；

寫1個(gè)word數(shù)據(jù)的時(shí)間最長(zhǎng)時(shí)間為70us，保存50個(gè)word的數(shù)據(jù)的最長(zhǎng)時(shí)間為3.5ms；

如果還需要同時(shí)備份一組數(shù)據(jù)的話，那50個(gè)word數(shù)據(jù)斷電記憶的總時(shí)間高達(dá)87ms；

顯然50ms的維持時(shí)間不滿足采用STM32F103處理器的內(nèi)部FLASH的斷電記憶的要求。

即使不額外備份一組數(shù)據(jù)，要求考慮了總的中斷時(shí)間之后，主程序在在3ms之內(nèi)輪詢一次，也是難以做到的。

如果采用外置的SPI FLASH，比如MX25L系列，其只支持以sector(4KB)為單位的擦除操作，所需要花費(fèi)的時(shí)間最短為40ms， 最長(zhǎng)為200ms，顯然無(wú)法在50ms的時(shí)間內(nèi)完成斷電記憶；

如果采用EEPROM，比如AT24C系列，可以按頁(yè)寫入，即通過(guò)IIC通信發(fā)送一頁(yè)數(shù)據(jù)之后，再啟動(dòng)寫入操作，這樣寫入的時(shí)間可以達(dá)到5ms左右；

容量為8KB的AT24C64一頁(yè)的大小為32Byte，即寫入32個(gè)Byte，考慮400kbps波特率的通信時(shí)間，總耗費(fèi)約6ms，寫入100個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，大概耗時(shí)約18ms，即使再備份一組數(shù)據(jù)，也能在36ms內(nèi)完成，從而輪詢一次主程序的最大時(shí)間為14ms，這是努力一把可以做得到的；

有人可能會(huì)問(wèn)，為什么需要在檢測(cè)到斷電之后才將數(shù)據(jù)存入非易失存儲(chǔ)器；

如果不計(jì)成本，用鐵電存儲(chǔ)器當(dāng)作非易失存儲(chǔ)器，那就可以不受限制隨時(shí)寫入了；

FLASH的擦寫壽命一般為10萬(wàn)次；

EEPROM的擦寫壽命一般為100萬(wàn)次；

可以通過(guò)在軟件算法在不同扇區(qū)之間做讀寫平衡以延長(zhǎng)擦寫壽命。

但是，對(duì)于一些變化快的數(shù)據(jù)，依然很達(dá)到使用的壽命要求；
一些外部輸入的高速計(jì)數(shù)，比如生產(chǎn)線上的生產(chǎn)計(jì)件，假設(shè)一秒內(nèi)有1次計(jì)數(shù)，如果數(shù)據(jù)變化就寫入非易失存儲(chǔ)器，則1秒內(nèi)大概會(huì)擦寫1次； 大概2天擦寫次數(shù)就會(huì)達(dá)到16萬(wàn)次。

綜合以上信息，
采用STM32F103處理器的內(nèi)部FLASH，通過(guò)檢測(cè)電源電壓進(jìn)行斷電記憶需要滿足至少100ms左右的瞬間要求；

采用外部SPI FLASH，很難通過(guò)檢測(cè)電源電壓進(jìn)行斷電記憶；

采用大容量的EEPROM，滿足50ms的電源瞬斷要求，可能可以做到斷電記憶。

如果成本沒有壓力，可以采用鐵電存儲(chǔ)器做斷電記快功能，鐵電存儲(chǔ)器沒有寫入次數(shù)的限制，不需要檢測(cè)斷電，可以存儲(chǔ)寫入，而且寫入的速度非?？?，不需要考慮寫入時(shí)間；

電源電壓檢測(cè)電路的分析

一個(gè)檢測(cè)的電源電壓檢測(cè)電路

上圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的電源電壓檢測(cè)電路，將電源電壓通過(guò)電阻分壓之后接到MCU的ADC口。

二極管D1除了電源防反接保護(hù)之后，還可以避免電容C1上的電壓反灌到輸入電源檢測(cè)電路，使得斷電之后，可以立即被檢測(cè)到；

有幾個(gè)問(wèn)題需要考慮：

1)檢測(cè)電路的工作電流，以智能灌溉的閥門控制器為例，該設(shè)備由9V堿性電池供電，實(shí)測(cè)大概為400mAh的容量；

單片機(jī)睡眠功耗大概可以做到10uA；

根據(jù)設(shè)定的定時(shí)澆灌邏輯，利用RTC的Alarm功能每天定時(shí)喚醒，驅(qū)動(dòng)閥門打開澆水，

驅(qū)動(dòng)電流大概為500mA，驅(qū)動(dòng)時(shí)間大概為1s，執(zhí)行一次消耗電量為0.14mAh，一天執(zhí)行三次總耗電為0.42mAh；

而設(shè)備待機(jī)一天消耗的電量約為0.24mAh；

一天總耗電為0.66mAh，400mAh的電池可使用606天；

而該電源電壓檢測(cè)電路的平均工作電流約為64uA，一天消耗的電量為1.54mAh，遠(yuǎn)大于單片機(jī)睡眠功耗，加上該電流，電池僅可使用180天左右；

雖然增加R2的阻值可以減少檢測(cè)電路的電流，然而，阻值大的電阻精度差，而且PCB板的表面絕緣電阻也會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成影響。

2)MCU的端口保護(hù)，在這一電路中，MCU的端口通過(guò)分壓電阻R2裸露到了外部；

當(dāng)有靜電放電、電磁干擾、閃電、接地不良、感性負(fù)載切換等情況發(fā)生時(shí)，可能有浪涌電壓或者浪涌電流從外部串入MCU；

浪涌電壓時(shí)間很短,一般在幾十微秒,幅度可以達(dá)到數(shù)千伏；

正電壓可以在D1導(dǎo)通之后由C1、C2吸收，但是由于D1導(dǎo)通需要響應(yīng)時(shí)間以及走線的寄生電感的影響，不可避免會(huì)有高壓脈沖串入IO口；

電源的電壓越高，R3兩端的分壓值也越大，當(dāng)該分壓值超過(guò)MCU的工作電壓與MCU端口的上拉保護(hù)二極管的正向?qū)妷褐停?/p>

則電流通過(guò)上拉保護(hù)二極管流向MCU的供電電源；

假設(shè)電源電壓為Vin，MCU的工作電壓為V+3.3V，MCU內(nèi)部上，下拉保護(hù)二極管的導(dǎo)通電壓為Vf，流過(guò)MCU內(nèi)部二極管為Iin，則滿足下面關(guān)系式：

當(dāng)

時(shí) ,

根據(jù)MCU的規(guī)格書，流過(guò)保護(hù)二極管的電流超過(guò)10mA就可能損壞IO口，

對(duì)應(yīng)的輸入電壓為：

同理，當(dāng)負(fù)電壓低于1008V時(shí)，可能損壞IO口；

針對(duì)這些情況，靠近MCU IO口放置的小電容可以起到至關(guān)重要的保護(hù)作用；

浪涌電壓或者靜電的特點(diǎn)是時(shí)間非常短，最多僅為幾十us；

電容兩端的電壓不能突變，輸入電壓通過(guò)R2,R3向電容充電，時(shí)間常數(shù)τ為，

電容兩端的電壓為：

應(yīng)該保證在高壓脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，電容兩端的電壓不能被充至讓MCU的內(nèi)部保護(hù)二極管導(dǎo)通；

考慮持續(xù)時(shí)間20us，幅度為2000V的電壓，需要滿足：

問(wèn)題在于，

1)如果防護(hù)電壓高達(dá)幾千V，持續(xù)時(shí)間達(dá)幾十us以上的浪涌電壓，避免其對(duì)MCU造成損壞，所需的電容容值比較大；

2)出于保護(hù)目的，選擇了大電容，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致電容放電時(shí)間慢，導(dǎo)致MCU無(wú)法及時(shí)檢測(cè)到斷電，為了實(shí)現(xiàn)斷電記憶，有更長(zhǎng)的瞬斷時(shí)間要求 ；

需要通過(guò)雙極性TVS或者壓敏電阻對(duì)浪涌電壓進(jìn)行鉗位。

電源電壓檢測(cè)電路的改進(jìn)

可以采用三極管對(duì)檢測(cè)電路的通斷進(jìn)行控制，如下圖：

開關(guān)控制的電源電壓檢測(cè)電路

MCU的IO口輸出高、低電平通過(guò)Q1以及Q2控制電源電壓檢測(cè)電路的通路；

只有在需要檢測(cè)時(shí)，才輸出高電平，使能Q1、Q2導(dǎo)通，電源電壓經(jīng)過(guò)R2,R6分壓之后送入ADC口進(jìn)行檢測(cè)，如果由電池供電，這時(shí)才會(huì)消耗電池電量。

還有一種更簡(jiǎn)單的電路，可以達(dá)到一樣的效果；

優(yōu)化的電源電壓檢測(cè)電路

與上一個(gè)電路相比，少了一個(gè)PNP三極管以及兩個(gè)電路，可以節(jié)省大幾毛錢，螞蟻腳也是肉，摘下口罩之后，大形勢(shì)不明朗，能省一點(diǎn)是一點(diǎn)。

該電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于選擇合適的基極、集電結(jié)、發(fā)射結(jié)的電阻，使得三極管Q1處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)；

假設(shè)三極管仍然處于放大狀態(tài)，

電源電壓為Vin，MCU端口輸出高電平為VO；

B極電流為IB，C極電流為IC，BE極的壓降為VF；

電阻R1兩端的電壓為VE，三極管CE兩端的電壓為VCE，

三極管C極的電流放大倍數(shù)為β，則有以下關(guān)系式成立：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

由1，4可以得到，

進(jìn)一步得到：

當(dāng)VCE<0時(shí)，Q1不再處于放大狀態(tài)，而進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，

如果取VO=3.3V，VF=0.7V， R1=10KΩ，R2=100KΩ時(shí)，則有Q1處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)的條件為：

（千分電阻）

取電流放大倍數(shù)β的最小值為50，Vin的最大值為20V，則右式的最小值為219kΩ；

所以R4只需要小于219kΩ即可以讓Q1處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)；