摘要:對(duì)于智能電表的設(shè)計(jì)而言,由于其使用場(chǎng)景的特殊性,主控芯片的供電可以是電池或變壓器等。因此對(duì)于電能表主控芯片的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),其內(nèi)部的電源設(shè)計(jì)就變得尤為重要。重點(diǎn)論述電能表主控芯片中電源管理的設(shè)計(jì),包含 POR、BOR 和電源切換開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)等。
1 引言
結(jié)合圖 1 所示,在現(xiàn)有的智能電表設(shè)計(jì)中,對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的供電而言,一般是從市電取電,經(jīng)由變壓器和穩(wěn)壓電路整合,給電表的 MCU 或其他模塊供電。當(dāng)市電掉電時(shí),一般由電池替代市電供電,繼續(xù)維持系統(tǒng)電源。在某些更為特殊的應(yīng)用場(chǎng)景中,比如印度、巴基斯坦地區(qū)的防竊電電表設(shè)計(jì)中,就存在僅有零線掉電,火線為竊電使用時(shí),電表內(nèi)部并不構(gòu)成電源回路,而電表內(nèi)部系統(tǒng)供電也并未選擇電池供電,而是選擇套在火線上的電流互感器產(chǎn)生的感應(yīng)電流給電表系統(tǒng)供電。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中,可選擇圖 1 中的方法,即在整個(gè)供電的外部采用切換開(kāi)關(guān)電路。隨時(shí)切換市電、電池或者互感器供電,但是這個(gè)切換電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,可靠性也不高,而且隨著電能表設(shè)計(jì)的高度集成化,往往圖 1 右側(cè)的 MCU、LCD 模塊、存儲(chǔ)電路、計(jì)量芯片,已經(jīng)被整合為一枚主控 SoC(System on Chip,稱為芯片級(jí)系統(tǒng))芯片所替代。因此,如何設(shè)計(jì)好這枚主控芯片內(nèi)部的電源設(shè)計(jì),成為電能表設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)[1-4]。
2 智能電表主控芯片中的電源設(shè)計(jì)
由于芯片有多個(gè)電源域和多個(gè)外部供電電源,電源管理就變得尤其重要了,電源管理包括 POR 和BOR,電源切換以及 LDO 的開(kāi)關(guān)管理等。圖 2 給出的是主控芯片內(nèi)部各 POR 示意圖。
2.1 POR
2.1.1 POR 的對(duì)應(yīng)的電源域劃分說(shuō)明
芯片包括了多個(gè) POR 模塊和 BOR 模塊,對(duì)于電能表主控芯片中的 POR 模塊的功能分別是:
(1)POR_3V3 用來(lái)上電復(fù)位 ANA_3V3 電源域并參與 MAIN_1V5,LP_1V5 和 EMU_2V5 的上電復(fù)位。其中 3V3 為芯片 3.3 V 電源域,用以為芯片中的 LCD 模塊、GPIO 模塊、UART 模塊等供電。
(2)POR_RTC 用來(lái)上電復(fù)位 RTC_1V5 電源域。其中 RTC_1V5 為 1.5 V 的獨(dú)立 RTC(實(shí)時(shí)鐘)電源域,對(duì)于目前的智能電表而言,RTC 的精度直接影響到電表的費(fèi)率等功能,因此 RTC 由一單獨(dú)的電源域控制。
(3)POR_MAIN 用來(lái)上電復(fù)位 MAIN_1V5 電源域,上電時(shí)也參與復(fù)位 LP_1V5 電源域 POR_LP 用來(lái)上電復(fù)位 LP_1V5 電源域和 MAIN_1V5 電源域。其中 MAIN_1V5 為主控芯片中低功耗的 Cortex-M0 的 CPU 內(nèi)核的電源域。
(4)POR_EMU 用來(lái)上電復(fù)位 EMU_2V5 電源域。其中 EMU_2V5 為主控芯片中計(jì)量部分的電源域控制。
2.1.2 POR 過(guò)程說(shuō)明
用比較器實(shí)現(xiàn) POR_MAIN 和 POR_EMU 的功能。POR_MAIN 直接檢測(cè) LDO_MAIN 的電壓輸出,POR_EMU 則檢測(cè) LDO_EMU 電壓輸出的分壓輸出。
比較器在 POR_3V3_N_D(POR_3V3_N 經(jīng)過(guò) 6 個(gè) LRC 的延長(zhǎng))為低時(shí),輸出低電平。在POR_3V3_N_D 變高時(shí),比較器輸出實(shí)際比較值:當(dāng)比較器正端輸入低于 VREF(1.2 V)時(shí)輸出低,高于 VREF 時(shí)輸出高。POR_3V3_N 經(jīng)過(guò) 6 個(gè) LRC 的延長(zhǎng)是為了在極快速上電情況下保證 BANDGAP 的建立和 POR 信號(hào)到 1.5 V 域的 Level shifter 的 1.5 V 供電建立。
由于是 3.3 V 供電,比較器輸出不會(huì) float,所以 POR_MAIN 和 POR_EMU 的輸出就可以作為 MAIN 域到 LP 域的隔離和 EMU 域到 MAIN 域的隔離。
POR_EMU 輸出在送到 SCU 以外,還送到 EMU_A,與 EMU_A 里的上電指示輸出 AND 后作為 EMU 域的 ready 信號(hào)連接到 EMU_D。
POR_3V3_N 為低時(shí)會(huì)拉低 POR_LP 的輸出。圖 3 是在極快上電情況下各 POR_MAIN 和 POR_LP 產(chǎn)生過(guò)程(不考慮 BOR)。
在這種情況下,3.3 V 電源上升極快,POR_3V3_N釋放很早,在 POR_3V3_N_D 釋放時(shí),LDO 輸出早已達(dá)到額定輸出,這時(shí) POR_MAIN_N/POR_LP_N 基本上與 POR_3V3_N_D 同時(shí)釋放。這種情況下,系統(tǒng) reset (RESETn)的釋放時(shí)間取決于 POR_MAIN_N/POR_LP_N。
圖 4 是在極慢上電情況下各 POR 產(chǎn)生過(guò)程(不考慮 BOR)。
在這種情況下,3.3 V 電源上電很慢,LDO 輸出基本跟隨 3.3 V 電源,在 POR_3V3_N_D 釋放后一段時(shí)間 LDO 可能才建立好。這時(shí)的 1.5 V POR在 POR_3V3_N_D 釋放后一段時(shí)間后釋放。這種情況下的一個(gè)問(wèn)題是,由于在 POR_3V3_N 釋放時(shí)(約 1.6 V),BANDGAP 還未達(dá)到額定值,而 POR_MAIN/POR_EMU 是通過(guò)比較器比較 LDO 輸出和 BANDGAP 來(lái)釋放 POR ,這時(shí)的 POR 可能會(huì)提前釋放(LDO 輸出還未達(dá)到 1.2 V)。但由于系統(tǒng)復(fù)位最終還要取決于 POR_LP,而 POR_LP 可以保證在 1.2 V 釋放, 所以這個(gè)問(wèn)題不會(huì)造成實(shí)質(zhì)影響。
2.2 BOR
3.3 V 的 BOR_RST_N 則是用來(lái)監(jiān)測(cè) ANA_3V3 電源域以提供低電壓復(fù)位。BOR 上電默認(rèn)是 enable,用戶可以通過(guò)程序 disable BOR,也可以通過(guò) NVR 來(lái)調(diào)整復(fù)位閾值。BOR 的輸出上有一個(gè) 100 μs 的濾波來(lái)過(guò)濾短的電源瞬時(shí)波動(dòng)。
2.2.1 BOR 過(guò)程說(shuō)明
由于 BOR 默認(rèn)是 enable 的,芯片在實(shí)際上電過(guò)程還會(huì)受到 BOR 的影響。圖 5 是有 BOR 參與的上電,低電壓及下電過(guò)程示意圖。 假設(shè) BOR 默認(rèn)閾值是 2.2 V,由 NVR 加載的閾值是 2.4 V。
2.2.2 BOR 產(chǎn)生過(guò)程
(1)上電開(kāi)始時(shí),BOR 默認(rèn) enable。在 3.3 V POR 結(jié)束后,POR_1V5 和 BOR 開(kāi)始有效(BOR 也可能與 3.3V POR 重疊)。當(dāng) VDD33 達(dá)到默認(rèn)閾值 2.2 V 時(shí),BOR 釋放(POR_1V5 與 BOR 的釋放先后順序不一定,取決于上電速度,這里只考慮 BOR 后釋放的情況)。由于在上電過(guò)程中發(fā)生過(guò) BOR,所以在正常上電后,復(fù)位標(biāo)志寄存器的 BOR 位可能是置起來(lái)的。
(2)上電復(fù)位后,VDD33 如果發(fā)生變化,小于 100 μs 的毛刺可以被濾掉;當(dāng) VDD33 低于 BOR 默認(rèn)閾值的時(shí)間長(zhǎng)于 100 μs 時(shí),BOR 會(huì)被拉低生效,一直到 VDD33 恢復(fù)到 BOR 默認(rèn)閾值以上(上升閾值會(huì)高于下降閾值,這就是 BOR 閾值遲滯)。
(3)在 CPU reset 結(jié)束時(shí),會(huì)從 NVR 里加載預(yù)設(shè)好的 BOR 閾值電壓。這里以 2.4 V 為例。
(4)BOR 加載 NVR 閾值后,如果 VDD33 降到 2.4 V 以下超過(guò) 100 μs,則 BOR 輸出拉低進(jìn)行復(fù)位。
(5)當(dāng) VDD33 繼續(xù)下跌到低于 POR 閾值時(shí), POR 開(kāi)始有效,芯片重新上電。
2.3 電源切換
智能電表主控芯片主電源域有兩個(gè)供電電源:市電 VSYS 和電池 VBAT,假設(shè)如果有互感器供電的話,可以將 VSYS 和 VBAT 接在一起視作 VSYS,而將互感器供電接原 VBAT 腳上,視作 VBAT,而主控芯片中的電源切換單元負(fù)責(zé)這兩個(gè)電源的切換,保證在各種情況下為芯片提供正確的供電,電源切換如圖 6 所示。
VREF 通過(guò)兩個(gè)比較器分別與 VSYS 和 VBAT 比較。根據(jù)兩個(gè)比較器的結(jié)果,電源切換控制邏輯控制兩個(gè)電源的切換。VDD33 是切換后的電源,為芯片系統(tǒng)域供電(ANA_3V3)。COMP_OUT 指示當(dāng)前為芯片供電的電源是 VSYS 還是 VBAT。 COMP_OUT=1 表示當(dāng)前電源是 VSYS,反之當(dāng)前電源是 VBAT。任何的電源切換動(dòng)作都會(huì)導(dǎo)致 COMP_OUT 的翻轉(zhuǎn),從而在 SCU 里產(chǎn)生 CPU 中斷。
芯片供電電源選擇的原則是:當(dāng) VSYS 高于閾值,則由 VSYS 為芯片供電;當(dāng) VSYS 低于閾值時(shí),如果 VBAT 高于閾值則由 VBAT 供電,如果 VBAT 也低于閾值,則由 VSYS 繼續(xù)供電。
VBAT 的閾值固定(2.1/1.9 V)。VSYS 則設(shè)置了若干閾值。為了避免震蕩,VSYS 閾值又分為上升閾值和下降閾值,用戶程序設(shè)置閾值時(shí)一定得保證上升閾值大于下降閾值。VSYS 的閾值可以在系統(tǒng) reset 結(jié)束時(shí)從 NVR 加載,也可以通過(guò)用戶程序修改 SCU 的相關(guān)寄存器來(lái)改變。上電時(shí)默認(rèn)上升閾值是 2.7 V,下降閾值是 2.2 V。
值得注意的是,電源切換會(huì)產(chǎn)生中斷,但中斷會(huì)不會(huì)被 CPU 響應(yīng),一是取決于中斷源是否被 enable。另外,如果 BOR 閾值設(shè)的高于 VSYS 閾值,也不會(huì)響應(yīng),因?yàn)樵陔娫辞袚Q時(shí)產(chǎn)生了 BOR reset。當(dāng)電源發(fā)生切換時(shí),新舊電源間會(huì)有低至 VSYS 閾值的負(fù)脈沖。這時(shí)如果 BOR 使能,且閾值高于 VSYS 閾值,就會(huì)發(fā)生 BOR reset。
3 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)主控芯片中的 PRO 和 BOR 的劃分,以及產(chǎn)生過(guò)程的設(shè)計(jì),使得智能電表在上下電時(shí)可以可靠的工作,而不會(huì)產(chǎn)生震蕩或者復(fù)位。電源切換電路的設(shè)計(jì)則保證了智能電表使用場(chǎng)景更為豐富,適應(yīng)性更強(qiáng),而基于上述設(shè)計(jì)的智能電表主控芯片,也在大規(guī)模的應(yīng)用中的到了驗(yàn)證,展現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性和可靠性
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