單片計算機電源設計技術

摘要：介紹以M6800系列單片機為例組成系統電源的設計思路和方法以及對單片機系統正常運行影響較大的工頻干擾消除辦法。

關鍵詞：單片機分布式電源便攜式和節能電源抗干擾

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

中圖法分類號：TP368文獻標識碼：A文章標號：0219?2713(2000)08?421?03

　　1引言

隨著微電子技術的不斷進步，超大規模集成電路不斷涌現，微處理器及其外圍芯片也得到了迅速的發展。微電子技術的最新進展之一是將CPU和外圍芯片，如程序存儲器，數據存儲器，并行及串行I/O接口，定時器/計數器，中斷控制器等部件集成在一個芯片里，制造成單片計算機（簡稱單片機）（Single－ChipMicrocomputer）。

近年來推出的一些高檔單片機還包含有許多特殊功能單元，如A/D及D/A轉換器、調制解調器、通信控制器、鎖相環、DMA、浮點運算單元等。這樣，只要外加一些擴展電路及必要的通道接口，就可以構成各種計算機應用系統，如工業控制系統、數據采集系統、自動測試系統、智能儀表、智能接口、功能模塊等，而系統電源設計是單片機所有功能得到充分發揮的重要保證。

2基本功能結構框圖

目前，在國際上流行的單片機主要有INTEL公司的MCS（如MCS51八位機和MCS96十六位機）和MOTOROLA公司的M68（如M6805，M68HC11）兩大系列。由于片內含有的功能電路不同，各種型號單片機的基本結構以及管腳功能和排列順序均不相同，下面以MC68HC05C8為例，對其基本結構加以介紹。MC68HC05C8基本結構如圖1所示，每個管腳功能均已標出。

3對系統電源設計的技術要求

圖1MC68HC05C8的內部結構

圖2集中供電和分布式供電電源示意圖

系統電源設計是單片機應用系統設計中的一項極其重要的工作，它對整個單片機系統是否正常運行起著至關重要的作用。電源設計時應該同時考慮功率、電平及抗干擾等問題，電源功率必須能滿足全系統的需要。單片機系統的絕大多數器件以脈沖方式工作，對較小的系統，功率消耗的脈沖特性更為突出，而較大的系統由于器件功耗的分散性，使得系統整體的功率消耗比較平穩。因此，單片機系統的電源必須有足夠的耐沖擊性，這就要求電源設計時留有充分的余量，一般大系統按實際功率消耗的1.5倍～2倍設計，小系統按實際功率消耗的2倍～3倍設計。

電平設計指的是直流電壓幅度和電源在最不利（滿載）情況下的紋波電壓峰峰值設計。這兩項指標都關系到單片機系統能否實現正常運行。因此，必須按系統中對電平要求最高的器件條件進行設計。

各種形式的干擾一般都是以脈沖的形式進入單片機的，干擾竄入單片機系統的渠道主要有3條：空間干擾（場干擾），通過電磁波輻射竄入系統；過程通道干擾，通過與主機相連的前向通道、后向通道及其它與主機相互連接的通道進入；供電系統干擾，通過供電線路竄入。對于上述3種干擾必須采用行之有效的措施和具體電路加以消除，確保單片機系統正常運行和工作。

4分布式電源設計技術

分布式電源設計技術是單片機應用系統和現代電子電路系統中最常使用的一種電源技術。所謂分布式電源是指單片機系統中不同部件的電源相對獨立，必要時還可采用完全電隔離技術。分布式電源使電源功率分散，這對降低電源成本、提高電源效率、減少紋波系數、提高電源穩定度都有利。

分布式供電電源系統的設計應遵循“三分離”原則：系統中大功率部分和小功率部分分離，高頻部分和低頻部分分離，精密電路和一般電路分離。

圖2是集中供電和分布式供電的電源連接示意圖，其中圖2（a）是集中供電方式，圖2（b）是分布式供電，電路1～電路4是同一系統中的4個部分。圖(a)中4個部分共用1個電源，而圖（b）中4個電路用了3個電源，其中Vcc1和Vcc3由系統電源提供，Vcc2是系統電源之外的單獨電源。

5便攜式和節能要求高的電源設計

單片機系統的一大特點是自身耗能低，因此被廣泛地用于便攜式電子設備中。便攜系統對電源的要求與其他系統不同之處在于：

（1）要求在允許的有效使用期間內輸出電壓、電流均能滿足系統正常工作的要求。

（2）電源種類越少越好。

（3）更換容易或有充電功能。

解決這些問題是便攜式單片機系統電源設計的主要任務。在實際設計系統電源時可采取以下措施保證系統電源正常工作：

（1）合理選擇系統電路，盡量降低系統功耗。

這是一個十分重要又不易引起注意的問題。一般地說，人們設計單片機應用系統時最容易忽視的一個問題就是功率損耗設計。對一般系統來說這并不算大問題，但對大系統、特大系統（例如千門以上的程控交換機、大型建筑的保安控制系統）以及便攜式單片機系統來說，能耗就是一個大問題。因此在這種系統的設計中要始終考慮功率消耗問題，設計中也應把功率消耗作為具體指標，特別是便攜式單片機系統，功率消耗對設計能否達到指標有著決定性的意義。

（2）采用高能電池和低耗高效的高性能穩壓電路。

當系統功率消耗的指標確定之后，系統電源的指標（確切地說是系統電池的安時數）也就確定了。對便攜式單片機系統有時是采用與此相反的做法，先確定電池，再根據電池的安時數設計系統電路。因此，選擇高能電池是系統電源設計的基本指標。目前多用鎘鎳電池或高能堿性電池作為便攜式單片機系統的電源。

為確保系統在規定的時間內電源電壓能滿足使用要求，除要求系統集成電路芯片能適應一定的電壓變化范圍外，一般還要求電源采取一定的穩壓措施，并有電源監視報警電路。

（3）選擇電源要求一致的芯片組成系統，以減少系統電源種類。

6系統電源的抗干擾設計

為了防止從電源系統引入干擾，單片機系統可采取圖3所示的供電配置。

（1）交流穩壓器。用來保證供電的穩定性，防止電源系統的過壓或欠壓，有利于提高整個系統的可靠性。

圖3系統電源的抗干擾供電配置

圖4雙T濾波器

（2）隔離變壓器?？紤]到高頻噪聲通過變壓器時主要不是靠初、次級線圈的互感耦合，而是靠初、次級間寄生電容耦合的。因此隔離變壓器的初級和次級之間均用屏蔽層隔離，減少其分布電容，以提高抗共模干擾的能力。

（3）低通濾波器。由諧波頻譜分析可知，電源系統的干擾大部分是高次諧波，因此采用低通濾波器使50Hz基波通過，濾去高次諧波，以改善電源波形。在低壓下，當濾波電路載有大電流時，宜采用小電感和大電容構成的濾波網絡；當濾波電路處于高壓下工作時，則應采用小電容和允許的最大電感構成的濾波網絡。

在整流電路之后可采用圖4所示的雙T濾波器，以消除50Hz工頻干擾。其優點是結構簡單，對固定頻率的干擾濾波效果好，其頻率特性為：當

將電容C固定，調節電阻，當輸入50Hz信號時，使出電壓u0=0。

另外，還可采用如下措施：如分散獨立功能塊供電，高抗干擾穩壓電源及干擾抑制器等。

7結語

以上對單片機電源設計技術進行了闡述。有的系統還要考慮掉電后的數據保護問題，這就要求適當的設置掉電保護電路和采用不間斷電源技術。

另外，抗干擾電路多種多樣，應根據不同性質的干擾采用相應的對策。單片機系統電路的特點以數字電路為主，因此，對電壓穩定性和耐電流沖擊性有一定的要求，故選擇電源器件時要注意留有充分的余量。