一种免MCU的简易的市电过压保护电路

一种免MCU的简易的市电过压保护电路

李向荣

广东荣文能源科技集团有限公司

摘要：本文通过结合技术背景概述、技术分析以及原理和目的，对一种免MCU的简易的市电过压保护电路进行了简单的分析和了解。

关键词：MCU；过压电路；技术分析

引言：

随着中国经济的迅速发展，人们的生活和社会生产对电能的需求日益增长，有些地区甚至出现电能短缺的情况；在电源系统中，过压故障对用电负载和电源系统本身的危害极大，因此过压故障处理的可靠性尤为重要，而传统过压故障保护设计可靠性和安全性较低。因此，电气技术已经受到了广大研究者的关注，对其进行研究有着十分重要的意义。

一、背景概述

MCU称为微控制单元（MicrocontrollerUnit），又称单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）或者单片机，是把中央处理器（CentralProcessUnit；CPU）的频率与规格做适当缩减，并将内存（memory）、计数器（Timer）、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。比如手机、PC外围、遥控器，至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等，都可见到MCU的身影。

对于一种免MCU的简易的市电过压保护电路；该发明主要是解决道路路灯线路中若出现断零线或过电压导致大面积电气损坏；电力系统的过压是危害电力系统安全运行的主要因素之一，过电压一旦发生，往往造成电气设备损坏和大面积停电事故；该技术的发展可以同时延伸应用到其它市电供电（85-460VAC）的各种电器设备以作过压保护，该技术的开发应用就可以避免电气由过压导致损坏现象，供电恢复后电气正常工作。

该技术属于新能源及节能技术。不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是一些特殊用途解决现实的能源供应出发，发展新能源均具有重大战略意义。

二、技术分析

以下是与本发明相近似的现有技术：

基于一种应用于CAN总线芯片的过压保护电路；为解决传统过压保护电路功耗大、易受干扰的问题，基于0.25μmCMOS工艺设计并实现了一种应用于控制器局域网络（CAN）总线芯片的过压保护电路。其作用是当芯片端口电压高于电源电压或低于地（GND）电平时为芯片提供保护信号，阻止电流倒灌入芯片。在3.3V电源电压下，该电路具有迟滞功能，防止其受到噪声干扰反复打开和关闭芯片。仿真结果表明，端口电压高于3.55V时电路提供保护信号，重新下降至3.35V后系统恢复工作；同理，端口电压低于－0.25V时电路提供保护信号，重新上升至－0.05V后系统恢复工作。

CAN总线采用差分总线，总线上的节点一般由CAN收发器、微处理器、控制器、数模转换器等模块构成。其具体工作流程为：传感器将其他形式的信号转化为模拟电信号，并传输给模数转换器（ADC）；ADC将模拟信号转化为数字信号，并传输给微处理器；CAN控制器根据CAN总线通信协议将数字信号传输给收发器；收发器再将这些信号转化为差分信号传送到CAN总线上。CAN芯片收发器主要模块有过压保护、热关断保护、逻辑控制、斜率控制、驱动电路、整形电路、滤波电路和比较器等。因此在芯片内设计过压保护模块是必要的。

针对这些问题，提出一种应用于CAN总线的过压保护电路结构，能在端口电压较高时避免比较器内部器件受损，同时使电路的功耗不随端口电压变化。基于0.25μmCMOS工艺，本文设计的电路可分为正电压保护模块和负电压保护模块，每个模块都有两个不同的阈值电压：过压阈值和恢复阈值。两个阈值电压构成的迟滞可以避免端口电压在阈值附近时受噪声干扰，电路反复地打开和关闭，因此具有较强的抗干扰性。

以上现有的技术与本案在功能方面、技术标准相类似，但各自在自身可承受最高供电电压和抗干扰不一样，本技术最高可达460VAC；现有技术，在继电器触点在开关瞬间易受到干扰，本案技术免MCU，采用普通的比较器，电路更为简易，外围器件少，同时本案带施密特环抗干扰能力更强。

三、技术原理及目的

过压保护电路只有一个稳压二极管，设定稳压二极管的稳定电压高于电源供电电压的30%左右。如图1所示，供电电压Ui为12V，稳定电压UZ则为12+12×30%=15．6V，选定UZ为标称值15V。当电源电路工作正常时，供电电压Ui为12V，小于稳定电压UZ的15V，稳压二极管处于截止状态，过压保护电路的输出电压Uo也为12V；当电源电路出现故障使Ui超过UZ的15V时，稳压二极管反向导通。由于稳压线路上没有限流电阻致使反向电流急剧增大，稳压二极管瞬间发热击穿损坏，短路电源输出线路，Uo=Ui=0V，开关电源电路停振，不再向负载供电。

过压保护电路图

基于一种免MCU的简易的市电过压保护电路；该产品电路原理是由TOPSWITHBUCK的辅助电源、电压取样，阈值电压、施密特环、比较器、反相器几部分组成。辅助电源给其它几部分电路提供供电需求，阈值电压提供比较基准，施密特环由反馈电路和比较器电路构成，反相器实现对继电器驱动的正逻辑关系。

TOPSWITHBUCK辅助电源提高本技术的可以耐更高的市电电压，带施密特环提高了抗干扰性，双比较器代替了MUC功能；本发明实现了免MCU的低成本、简易、抗干扰力强的市电过压保护器。

目前80%以上的电器设备的最高工作电压不超260VAC，一旦出现超过260VAC，电器必坏，本案的发明目的是用简易低成本可靠的解决当某种原因导致电路出现过压超过260V甚至达到380VAC，电路也能有效保护电器设备不致损坏，当电压恢复正常，设备继续正常工作。提高产品的耐用性，有些保护好电器设备。

附图：

结语：

综上所述，在电源系统中，过压故障对用电负载和电源系统本身的危害极大，过压故障处理的可靠性尤为重要，该技术同时可延伸应用到其它市电供电的各种电器设备以作过压保护，该技术的开发应用就可以避免电气由过压导致损坏现象，供电恢复后电气正常工作，而完善供电的持续发展。

参考文献：

[1]一款CAN总线收发器芯片的电路设计[J].唐兴刚，贺克军，王丽，李传南.微电子学与计算机.2011（05）

[2]新型过压保护电路设计[J].史凌峰，王根荣，来新泉，丁睿.电子科技大学学报.2011（02）

[3]基于集成电路过电压保护设备的研制[J].卢建华，吴光彬，吴晓男.半导体技术.2010（01）