馬勝利 李鄧化 王海

1.北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京100101；2.國(guó)源容開(kāi)國(guó)際科技（北京）股份有限公司，北京 100044

一、引言

隨著集成電路工藝的發(fā)展，為了降低集成電路的功耗，數(shù)字集成電路的電源電壓是逐步降低的。在電子電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)用最廣泛的電源電壓等級(jí)是3.3V和5V。目前，從5V系列到3.3V等系列的數(shù)字電路芯片的核心電壓以及I/O電平都小于3.3V，有的芯片電源電壓已經(jīng)降低到1.2V[1]。

一般說(shuō)，電容降壓電路給單片機(jī)供電，具有體積小、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，是變壓器降壓電源無(wú)可比擬的，但是單片機(jī)容易損壞、工作不穩(wěn)定和易受干擾。本文采用電容降壓電路供電，按照IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)PIC16F887單片機(jī)的最小控制系統(tǒng)進(jìn)行EFT/B試驗(yàn)，并且針對(duì)電源端，提出改進(jìn)電路以增加抗擾能力。

二、電容降壓電源

傳統(tǒng)電容降壓直流電路如圖1所示[2]，其中，R1為限流電阻，防止二極管在上電瞬間由于浪涌電流燒壞，C1為降壓電容器，D1為半波整流二極管，D2在市電的負(fù)半周時(shí)給C1提供放電回路，D3是穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值取決于電源輸出電壓要求，并注意其最大功率的選取，因?yàn)楫?dāng)負(fù)載開(kāi)路時(shí)，所有的電流都會(huì)流經(jīng)D3，C2為儲(chǔ)能電容，可根據(jù)輸出紋波要求選擇適當(dāng)容量的電解電容。R2為關(guān)斷電源后C1的電荷泄放電阻，為斷電后降壓電容C1上存儲(chǔ)的高壓提供泄放回路，以防止觸摸時(shí)電擊傷人。

電子電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)用最廣泛的電源電壓等級(jí)是3.3V和5V，如果采用這種傳統(tǒng)的電容降壓電路，D3就要選擇5V或3.3V穩(wěn)壓管，但是和更大電壓的穩(wěn)壓管相比，這兩種穩(wěn)壓管的伏安特性很差，負(fù)載電流波動(dòng)時(shí)不能提供穩(wěn)定的電壓輸出。

本文提出了一種改進(jìn)的電容降壓電路，如圖2所示。其中，D3采用具有良好伏安特性的15V穩(wěn)壓管，并且增加三端穩(wěn)壓器，用來(lái)提供5V或3.3V的輸出，C3為儲(chǔ)能電容，電路中有兩個(gè)儲(chǔ)能電容，能夠保證斷電情況下單片機(jī)有足夠的時(shí)間完成相應(yīng)動(dòng)作。

降壓電容C1的容抗由負(fù)載電流決定，即：

其中，電源端需要提供負(fù)載電流為15mA，由于是半波整流電路，所以電容C1后面的電路只能得到C1半個(gè)周期的充放電電流，也就是有效值的一半，所以流經(jīng)C1的電流有效值Ic=30mA。交流輸入電壓U=380V，市電工頻F=50Hz，所以C1=2.55×10-7F。

泄放電阻一般采用小功率電阻，阻值100kΩ ～ 2.2MΩ。濾波電容C2用680μF，耐壓值取輸出直流電壓的1.5倍即可，此處采用25V?？紤]到試驗(yàn)的重復(fù)性和可對(duì)比性，采用HT7150和HT7133三端口低功耗高電壓調(diào)整器為PIC16F887系統(tǒng)分別提供5V和3.3V直流電壓。C3為1000μF鋁電解電容。單片機(jī)休眠狀態(tài)和工作狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換時(shí)負(fù)載電流會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，改進(jìn)后的電容降壓電源具有更大的負(fù)載電流波動(dòng)閾值，能保證單片機(jī)穩(wěn)定的工作電壓。

三、試驗(yàn)電路

PIC16F887單片機(jī)控制數(shù)碼管循環(huán)計(jì)數(shù)系統(tǒng)電路如圖3所示。

電路由PIC16F887單片機(jī)、上電復(fù)位系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、共陽(yáng)極數(shù)碼管顯示系統(tǒng)組成。本試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證在不同電壓等級(jí)下單片機(jī)的EFT抗干擾能力，因此需要排除其他干擾因素，簡(jiǎn)化問(wèn)題，便于抗干擾能力的對(duì)比，所以采用PIC16F887單片機(jī)最小控制系統(tǒng)，使用內(nèi)部晶振，PCB板上不存在多余的電子器件，單片機(jī)執(zhí)行數(shù)碼管循環(huán)計(jì)數(shù)程序，且程序盡量短[3]。

四、電快速瞬變脈沖群試驗(yàn)

通過(guò)EFT/B試驗(yàn)[4-5]，測(cè)試低功率PIC16F887單片機(jī)控制系統(tǒng)在電容降壓電路中是否能穩(wěn)定工作，并且針對(duì)5V系統(tǒng)與3.3V的EFT/B抗干擾能力做出對(duì)比。

調(diào)節(jié)EFT/B發(fā)生器設(shè)備參數(shù)：脈沖重復(fù)頻率FREQ=100kHz；脈沖群周期PERIOD=300ms；脈沖個(gè)數(shù)SPIKES=75；運(yùn)行時(shí)間TIMER=20s；耦合方式OUTPUT=L1L2；被試品電源EUT-P=ON。

表1 PIC16F887系統(tǒng)在5V電路和3.3V電路中抗EFT干擾能力

調(diào)整脈沖峰值電壓VOLTAGE的取值（0.25kV～4.5kV），進(jìn)行不同峰值電壓等級(jí)的試驗(yàn)，電容降壓電源分別提供5V和3.3V輸出，在被試單片機(jī)控制系統(tǒng)加入干擾信號(hào)時(shí)，其運(yùn)行情況如表1所示。

PIC16F887單片機(jī)在5V供電下的控制系統(tǒng)，當(dāng)脈沖群峰值電壓為2.15kV時(shí)數(shù)碼管能正常計(jì)數(shù)，再增大就會(huì)產(chǎn)生復(fù)位現(xiàn)象，隨著脈沖峰值電壓的增大復(fù)位越來(lái)越頻繁，當(dāng)電壓達(dá)到2.50kV時(shí)候數(shù)碼管保持復(fù)位狀態(tài)，并且不能自行恢復(fù)。在3.3V供電下的控制系統(tǒng)中，當(dāng)脈沖群峰值電壓為1.90kV時(shí)數(shù)碼管能正常計(jì)數(shù)，隨后增大脈沖峰值電壓會(huì)產(chǎn)生復(fù)位現(xiàn)象，并且復(fù)位越來(lái)越頻繁，當(dāng)電壓達(dá)到2.30kV時(shí)候數(shù)碼管保持復(fù)位狀態(tài)，并且不能自行恢復(fù)。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，PIC16F887單片機(jī)在5V供電下的控制系統(tǒng)比3.3V供電下抗干擾能力更強(qiáng)。如果在3.3V供電的電子產(chǎn)品中應(yīng)用PIC16F887單片機(jī)，需要采取抗干擾措施，提高電路的抗擾能力。

五、電源端抗干擾措施

表2 加共模扼流圈的系統(tǒng)和采用兩級(jí)穩(wěn)壓的系統(tǒng)在3.3V電路中EFT抗干擾能力

本試驗(yàn)采用的上海三基電子的SKS-0404GB脈沖群發(fā)生器已經(jīng)集合了耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供了在不對(duì)稱條件下把試驗(yàn)電壓施加到受試設(shè)備的電源端口的能力，在電源線上的干擾是共模干擾[5]。

對(duì)于這種干擾，傳統(tǒng)方法是在電容降壓電源輸入端加裝共模扼流圈[6]，如圖4所示，干擾源產(chǎn)生同時(shí)流進(jìn)線圈的電流，兩線圈產(chǎn)生的磁通是相同方向的，有相互加強(qiáng)的作用，每一個(gè)線圈共模阻抗提高，共模電流大大減弱。

但是在企業(yè)生產(chǎn)中，磁環(huán)體積大、成本高并且繞線復(fù)雜，不適合批量生產(chǎn)，本文提出一種電路改進(jìn)方案，采用兩級(jí)穩(wěn)壓電路如圖5所示。其中，C4和C5為0.1μF貼片電容，作用是高頻濾波。C6和C7為100μF儲(chǔ)能電容。380V交流電由L1、L2進(jìn)入，經(jīng)過(guò)兩級(jí)穩(wěn)壓后得到3.3V穩(wěn)定的低壓直流電源供單片機(jī)系統(tǒng)使用。

為了檢驗(yàn)和兩種措施提高抗擾能力的效果，分別采用加裝扼流圈的電源和采用兩級(jí)降壓電路的電源對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)供電，然后進(jìn)行EFT/B試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，當(dāng)脈沖峰值電壓達(dá)到2.15kV時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)都能正常工作，但是繼續(xù)增大電壓峰值，加裝扼流圈的系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)復(fù)位，當(dāng)電壓峰值達(dá)到2.45kV是系統(tǒng)徹底不能工作，此時(shí)，采用兩級(jí)降壓的系統(tǒng)仍然正常工作。直到脈沖群峰值電壓達(dá)到4.02kV時(shí)數(shù)碼管仍然能正常計(jì)數(shù)，單片機(jī)系統(tǒng)的抗擾能力達(dá)到了IEC61000-4-4:2004規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)第4級(jí)，比添加共模扼流圈的效果提升了兩個(gè)等級(jí)，同時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

六、結(jié)論

本文針對(duì)低功率PIC16F887單片機(jī)控制系統(tǒng)采用電容降壓電源能否正常工作，以及在不同電壓等級(jí)下EFT抗擾能力強(qiáng)弱的問(wèn)題，提出了一種新的電容降壓電源，采用電快速瞬變脈沖群對(duì)比試驗(yàn)，研究了單片機(jī)系統(tǒng)在5V電源系統(tǒng)和3.3V電源系統(tǒng)中的抗擾能力強(qiáng)弱，得出了以下結(jié)果：

（1）單片機(jī)系統(tǒng)采用電容降壓電路作為電源能穩(wěn)定工作；

（2）單片機(jī)系統(tǒng)在3.3V電源系統(tǒng)中的抗擾能力弱于在5V電源系統(tǒng)中工作；

（3）電源端采用兩級(jí)穩(wěn)壓電路后，3.3V系統(tǒng)抗擾能力達(dá)到IEC61000-4-4嚴(yán)酷等級(jí)第4級(jí)。

這種電源端的改進(jìn)電路體積小、成本低，更適合企業(yè)生產(chǎn)采用。