電量表應(yīng)用中電壓監(jiān)控器設(shè)計方案

隨著世界各地的電網(wǎng)隨著時間的推移變得越來越智能，復(fù)雜的電子設(shè)計是必要的。同時，不能損害長期系統(tǒng)可靠性。智能電表監(jiān)控各種系統(tǒng)電壓，以防止導(dǎo)致測量不一致或系統(tǒng)故障的意外情況。

圖 1 中顯示的通用電子表應(yīng)用程序由幾個模塊組成，這些模塊協(xié)同工作以測量消耗的電量。

圖1 ：電表系統(tǒng)框圖示例

這篇博文解釋了 DC/DC 電源、計量和應(yīng)用模塊（以紅色標出）的用途，并深入探討了電源電壓監(jiān)控器/看門狗定時器子系統(tǒng)的重要性。從一般設(shè)計的角度來看，監(jiān)控電力消耗的系統(tǒng)需要精確、緊湊和可靠。

DC/DC 電源子系統(tǒng)要求：寬 V IN和低 I Q

電表通常從主 AC 電源接收 12 V 至 24 V 電壓，然后將其轉(zhuǎn)換為 3.3 V 或 5 V 直流電壓，為系統(tǒng)的其余部分供電。電壓監(jiān)控器確保主電源和所有電源軌都在系統(tǒng)要求范圍內(nèi)，以便系統(tǒng)正確運行。如果該模塊中的電壓出現(xiàn)故障或掉電，則電壓監(jiān)控解決方案需要標記故障情況，以便系統(tǒng)的其余部分可以正常關(guān)閉。

如果主電源不能提供足夠的電力，開關(guān)將連接備用電池或超級電容器到系統(tǒng)中，以臨時提供所需的電力。一般來說，依靠備用電源儲備的系統(tǒng)可以從這種關(guān)鍵操作條件下的任何節(jié)電中受益，因為較低功率的系統(tǒng)將在電源儲備上持續(xù)更長時間。DC/DC 電源模塊需要一個具有寬 V IN的電壓監(jiān)控器，以監(jiān)控高達 24 V 的電壓，并在使用電源儲備時實現(xiàn)低功耗。

計量和應(yīng)用子系統(tǒng)要求：高精度和可編程延遲

計量模塊通過傳感器連接到外部世界，負責在將信息發(fā)送到微控制器 (MCU) 進行處理之前進行實際的電力測量。應(yīng)用程序塊有另一個 MCU，除了顯示信息外，還可以格式化和存儲數(shù)據(jù)。該塊負責監(jiān)控整個系統(tǒng)，并作為系統(tǒng)和數(shù)據(jù)輸出之間的主要接口。

在這些模塊中，準確監(jiān)控為 MCU 供電的電壓軌和 MCU 活動對于確?？煽亢鸵恢碌臏y量至關(guān)重要。如果 MCU 未處于正確的工作狀態(tài)，電壓監(jiān)控器或看門狗定時器可以在任何其他問題出現(xiàn)之前標記故障。在監(jiān)測電壓時，特別是在需要精確、穩(wěn)健和可靠測量的系統(tǒng)中，電壓監(jiān)測精度對于快速準確地確定系統(tǒng)何時未以最佳性能運行非常重要。

此外，每當應(yīng)用程序使用 MCU 或多個不同的外設(shè)時，可能需要可編程啟動延遲以進行排序。當 MCU 或其他外設(shè)在系統(tǒng)開始正常運行之前需要特定的時間來啟動或完成任務(wù)時，可編程延遲將發(fā)揮重要作用。此外，當發(fā)生故障情況時，可能需要特定的復(fù)位延遲，以便 MCU 和/或外設(shè)在釋放復(fù)位之前完成任務(wù)。在這種情況下，可編程延遲功能提供了一種可編程且簡單的解決方案，以增加靈活性。

電表設(shè)計要求審查

圖 1 中列出的所有三個模塊都需要具有寬 V IN、低功耗、高精度和可編程延遲的電壓監(jiān)控器。一個值得考慮的好選擇是 TPS3840，因為它在一個設(shè)備中提供了這些要求的平衡。

TPS3840 具有高達 24V 或更高的寬輸入電壓范圍，帶有用于監(jiān)控高低壓軌的外部電阻器、1% 的典型電壓監(jiān)控精度，并且僅消耗 350nA 的功率，同時提供可編程延遲。此外，TPS3840 提供了顯著的精度和靈活性，這是僅通過 MCU 中的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器監(jiān)控無法獲得的。與 MCU 中的內(nèi)部 ADC 監(jiān)控相比，TPS3840 在電壓監(jiān)控閾值選項、更低的上電復(fù)位電壓和更快的啟動延遲方面具有更大的靈活性。

上電復(fù)位定義為定義輸出之前的最小輸入電壓，這對于防止可能產(chǎn)生錯誤故障或過早系統(tǒng)啟動的毛刺至關(guān)重要。TPS3840 的啟動延遲僅為 220 μs，這意味著 TPS3840 甚至可以在系統(tǒng)其余部分上電之前開始監(jiān)控電壓。總體而言，電壓監(jiān)控器通過持續(xù)監(jiān)控為電表內(nèi)部供電的電壓軌來確保正確的系統(tǒng)功能。

計量和應(yīng)用模塊中的外部看門狗定時器將通過檢測 MCU 的通用輸入/輸出引腳發(fā)送的脈沖來確保 MCU 不會周期性地鎖存或毛刺。如果軟件出現(xiàn)故障并且錯過了一個脈沖，外部看門狗定時器將復(fù)位 MCU。

TPS3430 可編程看門狗定時器是一個不錯的選擇，因為它提供了可編程看門狗超時和看門狗復(fù)位延遲，以滿足任何 MCU 的時序要求。