电源瞬时波动对微机的影响及防护

2万 · 2013-9-27 16:42

电源瞬时波动对微机的影响及防护
近年来，微机系统在工业自动化，生产过程控制，智能化仪器仪表等领域的应用越来越深入和广泛，有效地提高了工作效率，改善了工作条件。但是由于电磁环境的日趋恶劣和复杂，其工作的可靠性和安全性受到了严重威胁。最常见也最严重的一种干扰源就是市电电网频繁出现的瞬时掉电和下跌，他可使微机系统程序乱飞，控制失误，造成重大损失或伤亡事故。因此，研究电源瞬时波动对微机系统的影响，提高系统的电磁兼容性，有很高的实用价值。
　　1 电源瞬时波动形成的原因及其对微机系统的影响
　　1.1 电源瞬时波动形成的原因
　　电源瞬时波动主要是指电网电压的瞬时下跌和瞬时停电。瞬时下跌是指电网电压幅值因某种原因在某一瞬间突然降低；瞬时停电是指电网电压在某一瞬问突然完全为零。
　　电网电压瞬时波动的原因很多。例如，当电网遭到雷击或雷电感应时，可造成不小于0.1 s的瞬时停电，绝大多数情况可达0.3s以上。电力输送线方面的事故也是产生电网电压瞬时波动的一个主要原因，90％的电力线事故会导致电网有5～8个周期的瞬时停电[1]。工业现场的大功率设备启动运行时形成相当大的冲击电流，该电流是正常工作电流的10～40倍，他可以引起局部电网电压的瞬时波动，有的大功率电机启动时，会导致附近电网电压瞬时
　　下跌20％，持续30个周期之久[2]。
　　1.2 电源瞬时波动对微机系统的影响
　　电网电压的瞬时波动可直接导致系统内部电源电压的瞬时下跌，对微机系统的工作造成严重干扰，主要表现在以下几个方面[3]：
　　使数据采集误差加大；引入虚假状态信号，使控制状态失灵；破坏RAM存储器的数据；改变PC值，使程序运行失常。
　　2 对电源瞬时波动干扰的防护
　　2.1采用快速交流稳压器
采用快速交流稳压器可输出稳定的220 V交流电，从而消除电网电压瞬时波动对微机系统工作的影响。
　　2.2 采用不间断电源UPS
　　不间断电源UPS能够在电源停电或下跌时，由内部逆变电源给微机供电，他能有效地防止电网的瞬时停电或电网电压的瞬时跌落。在要求较高的微机系统中，UPS是必不可少的设备。

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　　2.3 加大系统内部整流电路的平滑电容和采用后备电源
　　增大整流电路的平滑电容，在一定程度上可消除电网电压瞬时波动的影响。当平滑电容为470μF时，可承受O.5个周期20％下跌幅度的瞬时波动；当电容为4700μF时，可抵抗6.5个周期100％下跌幅度的瞬时波动。
　　对持续时间较长的波动，只靠增大电容是不行的，这时应考虑用辅助电源。采用浮动充电方式的辅助电源的配置如图1所示。正常工作时，整流电路输出的脉动直流电源经R给电池E充电；当瞬时波动发生时，电池经二极管给系统供电，大大提高了系统抗电源波动干扰的能力。不仅如此，由于电池相当于一个性能良好的旁路电容，他对10kHz～1 MHz频率成份的噪声衰减有显著效果。

　　2.4 利用系统本身功能消除电源瞬时波动的影响

2万 · 2013-9-27 16:42

由于交流稳压器和UPS的造价高，配置麻烦，要求不高的微机系统一般不采用上述措施，而是利用系统本身功能，采取预先检测手段，在瞬时波动还没有影响到系统工作时，使其迅速回到开机时的初始状态。
　　一般微机系统都有一个开机自动复位电路，他利用一个RC充电电路，使复位电平的建立迟于电源的建立，从而避免开机时CPU的工作混乱。
　　当电源瞬时停电时，+5V供电因停电而很快下降，电容C通过VD放电。自动复位电路及瞬时停电时电容C的电压波形如图2所示[4]。当电容C上的电压下降到低于4.75V后，由于仍高于复位阈值电压，并不能使CPU复位，这时RAM中数据将遭到破坏。因此，只依靠简单的RC复位电路不能解决电源瞬时波动所带来的问题。

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　解决这种问题的方法是增加瞬时停电检测电路。图3是一个微机系统的复位信号输入电路及时序图。当Uc低于电压检测值时，8211输出为低，使CPU的READ-Y和CE2最先为低，CPU停止工作，RAM与数据总线隔开。1ms后，复位信号变低，使系统复位。电源复位后，8211输出为高，再过100ms复位信号变为高电平，这样可使CPU避开电源电压刚升至4.75 V后的不稳定工作区，复位信号为高后1ms，READY和CE2变高，CPU开始正常工作。

2万 · 2013-9-27 16:43

　更完善的措施是，不仅保护RAM内容，而且还进行人栈操作，然后再让CPU停止工作。当电源恢复时，再从堆栈中取出数据，使程序继续进行下去，而不是重新开始。图4是某微机处理电源瞬时停电的各种信号时序图。电源瞬时停电时，停电信号PD为低，触发单稳电路产生一个负脉冲送至CPU的NMI端，CPU响应中断，自动产生RST指令，把PC中下一条要执行指令的16位地址送入堆栈保存，同时在NMI变低后6ms产生禁止存储器工作的MS信号。当电源恢复后80ms，MS信号变高，最后复位信号变高，系统再次启动。该方案还可以忽略电源恢复后100 ms内电源的再次波动。

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但是实际的停电情况相当复杂，并不是单纯的一次性停电，而是象振荡一样，重复好几次。当第一次停电恢复后，MS信号变高，其后，RESET信号也变高。在系统刚要启动时，第二次停电又产生了，NMI再次变低，如图5所示。这时的中断申请等于被忽视，因为他并不能做出停电处理，将数据进行入栈操作，而且，因MS信号已变高，在第二次停电发生6ms内存储器也不能被禁止。在此期间系统却发生了再启动，CPU将第一次停电时人栈的数据从堆栈中取出，开始停电前的程序作业。而在第二次停电恢复正常时也同样从堆栈中取出数据。由于忽视了一次NMI信号，少了一次入栈动作，所以整个程序就乱了。解决这个问题的办法是，保证在停电信号后6ms内CPU不进行任何处理。这样即使再有停电情况发生也不会进行栈操作，再启动时，取出的就是第一次停电时的入栈数据。

2万 · 2013-9-27 16:43

　为确保RAM数据不遭破坏，建议使用非易失性RAM(NVRAM)及E2PROM等专用存储器。另一种方法是在计算机内部加装专给RAM供电的后备电源，RAM采用CMOS静态读写存储器，这种存储器在断电时只需2.0V电源就可以维护信息不被丢失。

2万 · 2013-9-27 16:44

　图6是RAM掉电保护的电路的实例。当电源电压下降到4.5V时，4046的开关断开，RAM的片选信号上拉至"1"，RAM中的数据不被冲失；当电源继续下降至3.6 V时，由蓄电池给RAM供电。

　　3 结语

　　实践表明，上述抑制电源瞬时波动的措施非常有效，特别是在不用交流稳压器和UPS的情况下，只利用系统本身功能消除电源波动干扰的方法得到了广泛应用，大大提高了微机系统的抗干扰能力。