電源瞬時(shí)波動(dòng)對(duì)微機(jī)的影響及防護(hù)

近年來(lái)，微機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化，生產(chǎn)過(guò)程控制，智能化儀器儀表等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越深入和廣泛，有效地提高了工作效率，改善了工作條件。但是由于電磁環(huán)境的日趨惡劣和復(fù)雜，其工作的可靠性和安全性受到了嚴(yán)重威脅。最常見(jiàn)也最嚴(yán)重的一種干擾源就是市電電網(wǎng)頻繁出現(xiàn)的瞬時(shí)掉電和下跌，他可使微機(jī)系統(tǒng)程序亂飛，控制失誤，造成重大損失或傷亡事故。因此，研究電源瞬時(shí)波動(dòng)對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的電磁兼容性，有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 電源瞬時(shí)波動(dòng)形成的原因及其對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的影響

1.1 電源瞬時(shí)波動(dòng)形成的原因

電源瞬時(shí)波動(dòng)主要是指電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)下跌和瞬時(shí)停電。瞬時(shí)下跌是指電網(wǎng)電壓幅值因某種原因在某一瞬間突然降低；瞬時(shí)停電是指電網(wǎng)電壓在某一瞬問(wèn)突然完全為零。

電網(wǎng)電壓瞬時(shí)波動(dòng)的原因很多。例如，當(dāng)電網(wǎng)遭到雷擊或雷電感應(yīng)時(shí)，可造成不小于0.1 s的瞬時(shí)停電，絕大多數(shù)情況可達(dá)0.3 s以上。電力輸送線方面的事故也是產(chǎn)生電網(wǎng)電壓瞬時(shí)波動(dòng)的一個(gè)主要原因，90％的電力線事故會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)有5～8個(gè)周期的瞬時(shí)停電[1]。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的大功率設(shè)備啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)形成相當(dāng)大的沖擊電流，該電流是正常工作電流的10～40倍，他可以引起局部電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)波動(dòng)，有的大功率電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致附近電網(wǎng)電壓瞬時(shí)
下跌20％，持續(xù)30個(gè)周期之久[2]。

1.2 電源瞬時(shí)波動(dòng)對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的影響

電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)波動(dòng)可直接導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部電源電壓的瞬時(shí)下跌，對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的工作造成嚴(yán)重干擾，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[3]：

使數(shù)據(jù)采集誤差加大；引入虛假狀態(tài)信號(hào)，使控制狀態(tài)失靈；破壞RAM存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)；改變PC值，使程序運(yùn)行失常。

2 對(duì)電源瞬時(shí)波動(dòng)干擾的防護(hù)

2.1采用快速交流穩(wěn)壓器

采用快速交流穩(wěn)壓器可輸出穩(wěn)定的220 V交流電，從而消除電網(wǎng)電壓瞬時(shí)波動(dòng)對(duì)微機(jī)系統(tǒng)工作的影響。

2.2 采用不間斷電源UPS

不間斷電源UPS能夠在電源停電或下跌時(shí)，由內(nèi)部逆變電源給微機(jī)供電，他能有效地防止電網(wǎng)的瞬時(shí)停電或電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)跌落。在要求較高的微機(jī)系統(tǒng)中，UPS是必不可少的設(shè)備。

2.3 加大系統(tǒng)內(nèi)部整流電路的平滑電容和采用后備電源

增大整流電路的平滑電容，在一定程度上可消除電網(wǎng)電壓瞬時(shí)波動(dòng)的影響。當(dāng)平滑電容為470μF時(shí)，可承受O.5個(gè)周期20％下跌幅度的瞬時(shí)波動(dòng)；當(dāng)電容為4 700μF時(shí)，可抵抗6.5個(gè)周期100％下跌幅度的瞬時(shí)波動(dòng)。

對(duì)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的波動(dòng)，只靠增大電容是不行的，這時(shí)應(yīng)考慮用輔助電源。采用浮動(dòng)充電方式的輔助電源的配置如圖1所示。正常工作時(shí)，整流電路輸出的脈動(dòng)直流電源經(jīng)R給電池E充電；當(dāng)瞬時(shí)波動(dòng)發(fā)生時(shí)，電池經(jīng)二極管給系統(tǒng)供電，大大提高了系統(tǒng)抗電源波動(dòng)干擾的能力。不僅如此，由于電池相當(dāng)于一個(gè)性能良好的旁路電容，他對(duì)10 kHz～1 MHz頻率成份的噪聲衰減有顯著效果。

2.4 利用系統(tǒng)本身功能消除電源瞬時(shí)波動(dòng)的影響

由于交流穩(wěn)壓器和UPS的造價(jià)高，配置麻煩，要求不高的微機(jī)系統(tǒng)一般不采用上述措施，而是利用系統(tǒng)本身功能，采取預(yù)先檢測(cè)手段，在瞬時(shí)波動(dòng)還沒(méi)有影響到系統(tǒng)工作時(shí)，使其迅速回到開(kāi)機(jī)時(shí)的初始狀態(tài)。

一般微機(jī)系統(tǒng)都有一個(gè)開(kāi)機(jī)自動(dòng)復(fù)位電路，他利用一個(gè)RC充電電路，使復(fù)位電平的建立遲于電源的建立，從而避免開(kāi)機(jī)時(shí)CPU的工作混亂。

當(dāng)電源瞬時(shí)停電時(shí)，+5 V供電因停電而很快下降，電容C通過(guò)VD放電。自動(dòng)復(fù)位電路及瞬時(shí)停電時(shí)電容C的電壓波形如圖2所示[4]。當(dāng)電容C上的電壓下降到低于4.75 V后，由于仍高于復(fù)位閾值電壓，并不能使CPU復(fù)位，這時(shí)RAM中數(shù)據(jù)將遭到破壞。因此，只依靠簡(jiǎn)單的RC復(fù)位電路不能解決電源瞬時(shí)波動(dòng)所帶來(lái)的問(wèn)題。

解決這種問(wèn)題的方法是增加瞬時(shí)停電檢測(cè)電路。圖3是一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)輸入電路及時(shí)序圖。當(dāng)Uc低于電壓檢測(cè)值時(shí)，8211輸出為低，使CPU的READ-Y和CE2最先為低，CPU停止工作，RAM與數(shù)據(jù)總線隔開(kāi)。1 ms后，復(fù)位信號(hào)變低，使系統(tǒng)復(fù)位。電源復(fù)位后，
8211輸出為高，再過(guò)100 ms復(fù)位信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，這樣可使CPU避開(kāi)電源電壓剛升至4.75 V后的不穩(wěn)定工作區(qū)，復(fù)位信號(hào)為高后1 ms，READY和CE2變高，CPU開(kāi)始正常工作。

更完善的措施是，不僅保護(hù)RAM內(nèi)容，而且還進(jìn)行人棧操作，然后再讓CPU停止工作。當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)，再?gòu)亩褩Ｖ腥〕鰯?shù)據(jù)，使程序繼續(xù)進(jìn)行下去，而不是重新開(kāi)始。圖4是某微機(jī)處理電源瞬時(shí)停電的各種信號(hào)時(shí)序圖。電源瞬時(shí)停電時(shí)，停電信號(hào)PD為低，觸發(fā)單穩(wěn)電路產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖送至CPU的NMI端，CPU響應(yīng)中斷，自動(dòng)產(chǎn)生RST指令，把PC中下一條要執(zhí)行指令的16位地址送入堆棧保存，同時(shí)在NMI變低后6 ms產(chǎn)生禁止存儲(chǔ)器工作的MS信號(hào)。當(dāng)電源恢復(fù)后80 ms，MS信號(hào)變高，最后復(fù)位信號(hào)變高，系統(tǒng)再次啟動(dòng)。該方案還可以忽略電源恢復(fù)后100 ms內(nèi)電源的再次波動(dòng)。

但是實(shí)際的停電情況相當(dāng)復(fù)雜，并不是單純的一次性停電，而是象振蕩一樣，重復(fù)好幾次。當(dāng)?shù)谝淮瓮ｋ娀謴?fù)后，MS信號(hào)變高，其后，RESET信號(hào)也變高。在系統(tǒng)剛要啟動(dòng)時(shí)，第二次停電又產(chǎn)生了，NMI再次變低，如圖5所示。這時(shí)的中斷申請(qǐng)等于被忽視，因?yàn)樗⒉荒茏龀鐾ｋ娞幚?，將?shù)據(jù)進(jìn)行入棧操作，而且，因MS信號(hào)已變高，在第二次停電發(fā)生6 ms內(nèi)存儲(chǔ)器也不能被禁止。在此期間系統(tǒng)卻發(fā)生了再啟動(dòng)，CPU將第一次停電時(shí)人棧的數(shù)據(jù)從堆棧中取出，開(kāi)始停電前的程序作業(yè)。而在第二次停電恢復(fù)正常時(shí)也同樣從堆棧中取出數(shù)據(jù)。由于忽視了一次NMI信號(hào)，少了一次入棧動(dòng)作，所以整個(gè)程序就亂了。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是，保證在停電信號(hào)后6 ms內(nèi)CPU不進(jìn)行任何處理。這樣即使再有停電情況發(fā)生也不會(huì)進(jìn)行棧操作，再啟動(dòng)時(shí)，取出的就是第一次停電時(shí)的入棧數(shù)據(jù)。

為確保RAM數(shù)據(jù)不遭破壞，建議使用非易失性RAM(NVRAM)及E2PROM等專(zhuān)用存儲(chǔ)器。另一種方法是在計(jì)算機(jī)內(nèi)部加裝專(zhuān)給RAM供電的后備電源，RAM采用CMOS靜態(tài)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器，這種存儲(chǔ)器在斷電時(shí)只需2.0 V電源就可以維護(hù)信息不被丟失。

圖6是RAM掉電保護(hù)的電路的實(shí)例。當(dāng)電源電壓下降到4.5 V時(shí)，4046的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，RAM的片選信號(hào)上拉至"1"，RAM中的數(shù)據(jù)不被沖失；當(dāng)電源繼續(xù)下降至3.6 V時(shí)，由蓄電池給RAM供電。

3 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)踐表明，上述抑制電源瞬時(shí)波動(dòng)的措施非常有效，特別是在不用交流穩(wěn)壓器和UPS的情況下，只利用系統(tǒng)本身功能消除電源波動(dòng)干擾的方法得到了廣泛應(yīng)用，大大提高了微機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力。