单片计算机电源设计技术

    摘要：介绍以M6800系列单片机为例组成系统电源的设计思路和方法以及对单片机系统正常运行影响较大的工频干扰消除办法。

    关键词：单片机   分布式电源  便携式和节能电源  抗干扰

                   Design of Single-Chip Microcomputer′s Power Supply

    Abstract: This paper introduces thinking and method on system power supply of M6800 series of single-chip Microcomputer. It also discusses how to eliminate power frequency jamming which effects normal operation of single-chip microcomputer system.

    Keywords: single-chip microcomputer, Distributed power supply, Portable and energy saving power supply, anti-jamming

    1  引言

    随着微电子技术的不断进步，超大规模集成电路不断涌现，微处理器及其外围芯片也得到了迅速的发展。微电子技术的最新进展之一是将CPU和外围芯片，如程序存储器，数据存储器，并行及串行I/O接口，定时器/计数器，中断控制器等部件集成在一个芯片里，制造成单片计算机（简称单片机）（Single－ChipMicrocomputer）。

    近年来推出的一些高档单片机还包含有许多特殊功能单元，如A/D及D/A转换器、调制解调器、通信控制器、锁相环、DMA、浮点运算单元等。这样，只要外加一些扩展电路及必要的通道接口，就可以构成各种计算机应用系统，如工业控制系统、数据采集系统、自动测试系统、智能仪表、智能接口、功能模块等，而系统电源设计是单片机所有功能得到充分发挥的重要保证。

   2  基本功能结构框图

    目前，在国际上流行的单片机主要有INTEL公司的MCS（如MCS51八位机和MCS96十六位机）和MOTOROLA公司的M68（如M6805，M68HC11）两大系列。由于片内含有的功能电路不同，各种型号单片机的基本结构以及管脚功能和排列顺序均不相同，下面以MC68HC05C8为例，对其基本结构加以介绍。MC68HC05C8基本结构如图1所示，每个管脚功能均已标出。

    3  对系统电源设计的技术要求

    系统电源设计是单片机应用系统设计中的一项极其重要的工作，它对整个单片机系统是否正常运行起着至关重要的作用。电源设计时应该同时考虑功率、电平及抗干扰等问题，电源功率必须能满足全系统的需要。单片机系统的绝大多数器件以脉冲方式工作，对较小的系统，功率消耗的脉冲特性更为突出，而较大的系统由于器件功耗的分散性，使得系统整体的功率消耗比较平稳。因此，单片机系统的电源必须有足够的耐冲击性，这就要求电源设计时留有充分的余量，一般大系统按实际功率消耗的1.5倍～2倍设计，小系统按实际功率消耗的2倍～3倍设计。

    电平设计指的是直流电压幅度和电源在最不利（满载）情况下的纹波电压峰峰值设计。这两项指标都关系到单片机系统能否实现正常运行。因此，必须按系统中对电平要求最高的器件条件进行设计。

    各种形式的干扰一般都是以脉冲的形式进入单片机的，干扰窜入单片机系统的渠道主要有3条：空间干扰（场干扰），通过电磁波辐射窜入系统；过程通道干扰，通过与主机相连的前向通道、后向通道及其它与主机相互连接的通道进入；供电系统干扰，通过供电线路窜入。对于上述3种干扰必须采用行之有效的措施和具体电路加以消除，确保单片机系统正常运行和工作。

    4  分布式电源设计技术

    分布式电源设计技术是单片机应用系统和现代电子电路系统中最常使用的一种电源技术。所谓分布式电源是指单片机系统中不同部件的电源相对独立，必要时还可采用完全电隔离技术。分布式电源使电源功率分散，这对降低电源成本、提高电源效率、减少纹波系数、提高电源稳定度都有利。

    分布式供电电源系统的设计应遵循“三分离”原则：系统中大功率部分和小功率部分分离，高频部分和低频部分分离，精密电路和一般电路分离。

    图2是集中供电和分布式供电的电源连接示意图，其中图2（a）是集中供电方式，图2（b）是分布式供电，电路1～电路4是同一系统中的4个部分。图(a)中4个部分共用1个电源，而图（b）中4个电路用了3个电源，其中Vcc1和Vcc3由系统电源提供，Vcc2是系统电源之外的单独电源。

    5  便携式和节能要求高的电源设计

    单片机系统的一大特点是自身耗能低，因此被广泛地用于便携式电子设备中。便携系统对电源的要求与其他系统不同之处在于：

    （1）要求在允许的有效使用期间内输出电压、电流均能满足系统正常工作的要求。

    （2）电源种类越少越好。

    （3）更换容易或有充电功能。

    解决这些问题是便携式单片机系统电源设计的主要任务。在实际设计系统电源时可采取以下措施保证系统电源正常工作：

    （1）合理选择系统电路，尽量降低系统功耗。

    这是一个十分重要又不易引起注意的问题。一般地说，人们设计单片机应用系统时最容易忽视的一个问题就是功率损耗设计。对一般系统来说这并不算大问题，但对大系统、特大系统（例如千门以上的程控交换机、大型建筑的保安控制系统）以及便携式单片机系统来说，能耗就是一个大问题。因此在这种系统的设计中要始终考虑功率消耗问题，设计中也应把功率消耗作为具体指标，特别是便携式单片机系统，功率消耗对设计能否达到指标有着决定性的意义。

    （2）采用高能电池和低耗高效的高性能稳压电路。

    当系统功率消耗的指标确定之后，系统电源的指标（确切地说是系统电池的安时数）也就确定了。对便携式单片机系统有时是采用与此相反的做法，先确定电池，再根据电池的安时数设计系统电路。因此，选择高能电池是系统电源设计的基本指标。目前多用镉镍电池或高能碱性电池作为便携式单片机系统的电源。

    为确保系统在规定的时间内电源电压能满足使用要求，除要求系统集成电路芯片能适应一定的电压变化范围外，一般还要求电源采取一定的稳压措施，并有电源监视报警电路。

    （3）选择电源要求一致的芯片组成系统，以减少系统电源种类。

    6  系统电源的抗干扰设计

    为了防止从电源系统引入干扰，单片机系统可采取图3所示的供电配置。

    （1）交流稳压器。用来保证供电的稳定性，防止电源系统的过压或欠压，有利于提高整个系统的可靠性。

    （2）隔离变压器。考虑到高频噪声通过变压器时主要不是靠初、次级线圈的互感耦合，而是靠初、次级间寄生电容耦合的。因此隔离变压器的初级和次级之间均用屏蔽层隔离，减少其分布电容，以提高抗共模干扰的能力。

    （3）低通滤波器。由谐波频谱分析可知，电源系统的干扰大部分是高次谐波，因此采用低通滤波器使50Hz基波通过，滤去高次谐波，以改善电源波形。在低压下，当滤波电路载有大电流时，宜采用小电感和大电容构成的滤波网络；当滤波电路处于高压下工作时，则应采用小电容和允许的最大电感构成的滤波网络。

    在整流电路之后可采用图4所示的双T滤波器，以消除50Hz工频干扰。其优点是结构简单，对固定频率的干扰滤波效果好，其频率特性为：

    将电容C固定，调节电阻，当输入50Hz信号时，使出电压u0=0。

    另外，还可采用如下措施：如分散独立功能块供电，高抗干扰稳压电源及干扰抑制器等。

    7  结语

    以上对单片机电源设计技术进行了阐述。有的系统还要考虑掉电后的数据保护问题，这就要求适当的设置掉电保护电路和采用不间断电源技术。

    另外，抗干扰电路多种多样，应根据不同性质的干扰采用相应的对策。单片机系统电路的特点以数字电路为主，因此，对电压稳定性和耐电流冲击性有一定的要求，故选择电源器件时要注意留有充分的余量。