原標(biāo)題：電量表應(yīng)用中電壓監(jiān)控器設(shè)計(jì)方案

基于TPS3840與TPS3430的電量表電壓監(jiān)控器設(shè)計(jì)方案

在電量表應(yīng)用中，電壓監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到設(shè)備的穩(wěn)定性、精度和可靠性。傳統(tǒng)方案中，電壓監(jiān)控多依賴MCU內(nèi)置ADC或分立元件搭建，存在功耗高、響應(yīng)速度慢、抗干擾能力弱等問題。本文提出一種基于TPS3840電壓監(jiān)控器與TPS3430看門狗定時(shí)器的解決方案，通過器件選型、功能分析及電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)低功耗、高精度、寬輸入范圍的電壓監(jiān)控與系統(tǒng)保護(hù)功能。

一、設(shè)計(jì)背景與需求分析

電量表通常需要監(jiān)測主電源、備用電源及MCU供電軌的電壓狀態(tài)，確保系統(tǒng)在異常情況下安全關(guān)閉或切換至備用電源。典型需求包括：

1. 寬輸入電壓范圍：支持12V至24V主電源輸入，兼容不同供電環(huán)境。

2. 低功耗設(shè)計(jì)：靜態(tài)電流需低于1μA，以延長備用電源（如超級(jí)電容）的續(xù)航時(shí)間。

3. 高精度監(jiān)控：電壓閾值檢測精度需優(yōu)于1%，避免誤觸發(fā)或漏檢。

4. 快速響應(yīng)與可編程延遲：支持80μs至600ms的響應(yīng)時(shí)間配置，適應(yīng)不同負(fù)載的啟動(dòng)特性。

5. 看門狗保護(hù)：防止MCU因軟件故障導(dǎo)致系統(tǒng)鎖死，需支持可編程超時(shí)與復(fù)位延遲。

二、核心器件選型與功能解析

2.1 TPS3840電壓監(jiān)控器

器件型號(hào)：TPS3840DL30（欠壓監(jiān)控）、TPS3840PH30（過壓監(jiān)控）
核心功能：

• 寬輸入電壓范圍：支持1.6V至4.9V（TPS3840DL30）或2.8V至5.5V（TPS3840PH30），覆蓋電量表典型供電軌（如3.3V、5V）。

• 超低功耗：靜態(tài)電流僅350nA，典型應(yīng)用場景下功耗低于1μA，滿足備用電源場景需求。

• 高精度監(jiān)控：電壓閾值精度±1%，支持0.1V步進(jìn)調(diào)整，避免因電壓波動(dòng)導(dǎo)致的誤動(dòng)作。

• 可編程響應(yīng)延遲：通過外部電容配置80μs至600ms的復(fù)位延遲，適應(yīng)不同負(fù)載的啟動(dòng)特性。

• 靈活輸出配置：提供低電平有效（Open-Drain）和高電平有效（Push-Pull）兩種輸出模式，兼容多種復(fù)位邏輯。

選型依據(jù)：

• 功耗優(yōu)勢：相比MCU內(nèi)置ADC監(jiān)控方案，TPS3840靜態(tài)電流降低90%以上，顯著延長備用電源續(xù)航時(shí)間。

• 精度與靈活性：內(nèi)置1%精度基準(zhǔn)電壓源，無需外部分壓電阻校準(zhǔn)，簡化設(shè)計(jì)并提升可靠性。

• 快速啟動(dòng)：啟動(dòng)延遲僅220μs，可在MCU初始化前完成電壓監(jiān)控，避免系統(tǒng)帶病啟動(dòng)。

2.2 TPS3430看門狗定時(shí)器

器件型號(hào)：TPS3430WDRCR
核心功能：

• 窗口看門狗機(jī)制：支持可編程超時(shí)窗口（如100ms至10s），避免因MCU喂狗信號(hào)抖動(dòng)導(dǎo)致的誤復(fù)位。

• 低功耗設(shè)計(jì)：工作電流僅10μA，典型應(yīng)用場景下功耗低于20μA，滿足電量表長期運(yùn)行需求。

• 可編程復(fù)位延遲：通過外部電阻或電容配置復(fù)位延遲時(shí)間，確保系統(tǒng)在復(fù)位前完成關(guān)鍵數(shù)據(jù)保存。

• 寬輸入電壓范圍：支持1.6V至6.5V供電，兼容3.3V/5V系統(tǒng)。

• 禁用功能：通過SET引腳可禁用看門狗功能，便于開發(fā)調(diào)試。

選型依據(jù)：

• 高可靠性：窗口看門狗機(jī)制可有效檢測MCU死循環(huán)或程序跑飛，避免傳統(tǒng)看門狗因喂狗信號(hào)異常導(dǎo)致的誤動(dòng)作。

• 低功耗優(yōu)勢：相比分立RC電路實(shí)現(xiàn)的看門狗方案，TPS3430功耗降低80%以上，且精度更高。

• 小型封裝：采用3mm×3mm VSON-10封裝，節(jié)省PCB空間，適應(yīng)緊湊型電量表設(shè)計(jì)。

三、電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 電壓監(jiān)控電路設(shè)計(jì)

以TPS3840DL30為例，設(shè)計(jì)欠壓監(jiān)控電路：

1. 輸入分壓網(wǎng)絡(luò)：

• 通過外部電阻分壓將輸入電壓（如12V）降至TPS3840可監(jiān)測范圍（1.6V至4.9V）。

• 計(jì)算公式：VSENSE=VIN×R1+R2R2，其中VSENSE需設(shè)置為3V（TPS3840DL30閾值）。

• 示例：R1=270kΩ，R2=100kΩ，分壓后VSENSE=3V（輸入12V時(shí)）。

2. 復(fù)位延遲配置：

• 通過外部電容C1配置復(fù)位延遲時(shí)間（TD），計(jì)算公式：TD=1.1×REXT×C1。

• 示例：REXT=100kΩ，C1=1μF，則TD=110ms。

3. 輸出連接：

• RESET引腳連接至MCU復(fù)位引腳或電源開關(guān)控制信號(hào)，低電平有效。

3.2 看門狗電路設(shè)計(jì)

以TPS3430WDRCR為例，設(shè)計(jì)看門狗監(jiān)控電路：

1. 超時(shí)窗口配置：

• 通過外部電阻R2和電容C2配置看門狗超時(shí)時(shí)間（TWDO），計(jì)算公式：TWDO=1.1×R2×C2。

• 示例：R2=1MΩ，C2=0.1μF，則TWDO=110ms。

2. 復(fù)位延遲配置：

• 通過外部電容C3配置復(fù)位延遲時(shí)間（TRST），計(jì)算公式：TRST=1.1×R3×C3。

• 示例：R3=100kΩ，C3=1μF，則TRST=110ms。

3. 喂狗信號(hào)連接：

• MCU通過GPIO定期向WDI引腳發(fā)送脈沖（頻率需小于TWDO），避免看門狗超時(shí)。

3.3 多軌監(jiān)控與級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)

TPS3840支持菊花鏈級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)多軌電壓監(jiān)控：

1. 級(jí)聯(lián)方式：

• 將多個(gè)TPS3840的RESET引腳通過二極管OR電路連接，任意一路電壓異常均可觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位。

• 示例：監(jiān)控3.3V、5V、12V三路電源，任一路欠壓均可復(fù)位系統(tǒng)。

2. 優(yōu)先級(jí)控制：

• 通過外部電阻調(diào)整各路TPS3840的復(fù)位延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)控制（如優(yōu)先保護(hù)MCU供電軌）。

四、設(shè)計(jì)優(yōu)勢與性能對比

4.1 功耗對比

4.2 精度與響應(yīng)速度對比

4.3 可靠性對比

• 抗干擾能力：TPS3840內(nèi)置遲滯電路（如TPS3840DL30遲滯電壓100mV），可有效抑制電壓波動(dòng)導(dǎo)致的誤復(fù)位。

• 故障恢復(fù)：TPS3430支持可編程復(fù)位延遲，確保系統(tǒng)在復(fù)位前完成關(guān)鍵數(shù)據(jù)保存，避免數(shù)據(jù)丟失。

五、應(yīng)用案例與驗(yàn)證

5.1 三相智能電表應(yīng)用

在三相智能電表中，TPS3840監(jiān)控主電源（12V）、MCU供電軌（3.3V）和備用電源（超級(jí)電容），TPS3430監(jiān)控MCU運(yùn)行狀態(tài)。

• 測試結(jié)果：

• 主電源欠壓時(shí)，TPS3840在110ms內(nèi)觸發(fā)復(fù)位，系統(tǒng)切換至備用電源。

• MCU因軟件故障鎖死時(shí)，TPS3430在110ms后復(fù)位系統(tǒng)，恢復(fù)時(shí)間小于200ms。

5.2 光伏逆變器應(yīng)用

在光伏逆變器中，TPS3840監(jiān)控直流母線電壓（24V至60V，通過分壓網(wǎng)絡(luò)）和MCU供電軌（5V），TPS3430監(jiān)控DSP運(yùn)行狀態(tài)。

• 測試結(jié)果：

• 直流母線過壓時(shí)，TPS3840在150ms內(nèi)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，關(guān)閉IGBT驅(qū)動(dòng)。

• DSP因電磁干擾死機(jī)時(shí)，TPS3430在120ms后復(fù)位系統(tǒng)，恢復(fù)時(shí)間小于250ms。

本文提出的基于TPS3840與TPS3430的電壓監(jiān)控方案，通過器件選型、電路設(shè)計(jì)與功能驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了電量表應(yīng)用中的低功耗、高精度、寬輸入范圍監(jiān)控需求。相比傳統(tǒng)方案，該方案在功耗、精度、響應(yīng)速度和可靠性方面具有顯著優(yōu)勢，適用于智能電表、光伏逆變器、電動(dòng)汽車充電樁等高可靠性工業(yè)場景。

未來，隨著電量表功能復(fù)雜度的提升（如增加邊緣計(jì)算、通信功能），電壓監(jiān)控系統(tǒng)需進(jìn)一步優(yōu)化功耗與集成度。德州儀器等廠商推出的新一代監(jiān)控芯片（如TPS3823，集成看門狗與電壓監(jiān)控功能）將提供更緊湊的解決方案，推動(dòng)電量表向更高性能、更低功耗方向發(fā)展。