基于低功率PIC16F887單片機的控制系統抗干擾能力改進

馬勝利 李鄧化 王海

1.北京信息科技大學 自動化學院，北京100101；2.國源容開國際科技（北京）股份有限公司，北京 100044

一、引言

隨著集成電路工藝的發展，為了降低集成電路的功耗，數字集成電路的電源電壓是逐步降低的。在電子電路設計中，應用最廣泛的電源電壓等級是3.3V和5V。目前，從5V系列到3.3V等系列的數字電路芯片的核心電壓以及I/O電平都小于3.3V，有的芯片電源電壓已經降低到1.2V[1]。

一般說，電容降壓電路給單片機供電，具有體積小、低功耗的優點，是變壓器降壓電源無可比擬的，但是單片機容易損壞、工作不穩定和易受干擾。本文采用電容降壓電路供電，按照IEC61000-4-4標準，對PIC16F887單片機的最小控制系統進行EFT/B試驗，并且針對電源端，提出改進電路以增加抗擾能力。

二、電容降壓電源

傳統電容降壓直流電路如圖1所示[2]，其中，R1為限流電阻，防止二極管在上電瞬間由于浪涌電流燒壞，C1為降壓電容器，D1為半波整流二極管，D2在市電的負半周時給C1提供放電回路，D3是穩壓二極管，其穩壓值取決于電源輸出電壓要求，并注意其最大功率的選取，因為當負載開路時，所有的電流都會流經D3，C2為儲能電容，可根據輸出紋波要求選擇適當容量的電解電容。R2為關斷電源后C1的電荷泄放電阻，為斷電后降壓電容C1上存儲的高壓提供泄放回路，以防止觸摸時電擊傷人。

電子電路設計中，應用最廣泛的電源電壓等級是3.3V和5V，如果采用這種傳統的電容降壓電路，D3就要選擇5V或3.3V穩壓管，但是和更大電壓的穩壓管相比，這兩種穩壓管的伏安特性很差，負載電流波動時不能提供穩定的電壓輸出。

本文提出了一種改進的電容降壓電路，如圖2所示。其中，D3采用具有良好伏安特性的15V穩壓管，并且增加三端穩壓器，用來提供5V或3.3V的輸出，C3為儲能電容，電路中有兩個儲能電容，能夠保證斷電情況下單片機有足夠的時間完成相應動作。

降壓電容C1的容抗由負載電流決定，即：

其中，電源端需要提供負載電流為15mA，由于是半波整流電路，所以電容C1后面的電路只能得到C1半個周期的充放電電流，也就是有效值的一半，所以流經C1的電流有效值Ic=30mA。交流輸入電壓U=380V，市電工頻F=50Hz，所以C1=2.55×10-7F。

泄放電阻一般采用小功率電阻，阻值100kΩ ～ 2.2MΩ。濾波電容C2用680μF，耐壓值取輸出直流電壓的1.5倍即可，此處采用25V。考慮到試驗的重復性和可對比性，采用HT7150和HT7133三端口低功耗高電壓調整器為PIC16F887系統分別提供5V和3.3V直流電壓。C3為1000μF鋁電解電容。單片機休眠狀態和工作狀態相互轉換時負載電流會產生較大波動，改進后的電容降壓電源具有更大的負載電流波動閾值，能保證單片機穩定的工作電壓。

三、試驗電路

PIC16F887單片機控制數碼管循環計數系統電路如圖3所示。

電路由PIC16F887單片機、上電復位系統、電源系統、共陽極數碼管顯示系統組成。本試驗目的是驗證在不同電壓等級下單片機的EFT抗干擾能力，因此需要排除其他干擾因素，簡化問題，便于抗干擾能力的對比，所以采用PIC16F887單片機最小控制系統，使用內部晶振，PCB板上不存在多余的電子器件，單片機執行數碼管循環計數程序，且程序盡量短[3]。

四、電快速瞬變脈沖群試驗

通過EFT/B試驗[4-5]，測試低功率PIC16F887單片機控制系統在電容降壓電路中是否能穩定工作，并且針對5V系統與3.3V的EFT/B抗干擾能力做出對比。

調節EFT/B發生器設備參數：脈沖重復頻率FREQ=100kHz；脈沖群周期PERIOD=300ms；脈沖個數SPIKES=75；運行時間TIMER=20s；耦合方式OUTPUT=L1L2；被試品電源EUT-P=ON。

表1 PIC16F887系統在5V電路和3.3V電路中抗EFT干擾能力

調整脈沖峰值電壓VOLTAGE的取值（0.25kV～4.5kV），進行不同峰值電壓等級的試驗，電容降壓電源分別提供5V和3.3V輸出，在被試單片機控制系統加入干擾信號時，其運行情況如表1所示。

PIC16F887單片機在5V供電下的控制系統，當脈沖群峰值電壓為2.15kV時數碼管能正常計數，再增大就會產生復位現象，隨著脈沖峰值電壓的增大復位越來越頻繁，當電壓達到2.50kV時候數碼管保持復位狀態，并且不能自行恢復。在3.3V供電下的控制系統中，當脈沖群峰值電壓為1.90kV時數碼管能正常計數，隨后增大脈沖峰值電壓會產生復位現象，并且復位越來越頻繁，當電壓達到2.30kV時候數碼管保持復位狀態，并且不能自行恢復。

由試驗數據可知，PIC16F887單片機在5V供電下的控制系統比3.3V供電下抗干擾能力更強。如果在3.3V供電的電子產品中應用PIC16F887單片機，需要采取抗干擾措施，提高電路的抗擾能力。

五、電源端抗干擾措施

表2 加共模扼流圈的系統和采用兩級穩壓的系統在3.3V電路中EFT抗干擾能力

本試驗采用的上海三基電子的SKS-0404GB脈沖群發生器已經集合了耦合/去耦網絡，這個網絡提供了在不對稱條件下把試驗電壓施加到受試設備的電源端口的能力，在電源線上的干擾是共模干擾[5]。

對于這種干擾，傳統方法是在電容降壓電源輸入端加裝共模扼流圈[6]，如圖4所示，干擾源產生同時流進線圈的電流，兩線圈產生的磁通是相同方向的，有相互加強的作用，每一個線圈共模阻抗提高，共模電流大大減弱。

但是在企業生產中，磁環體積大、成本高并且繞線復雜，不適合批量生產，本文提出一種電路改進方案，采用兩級穩壓電路如圖5所示。其中，C4和C5為0.1μF貼片電容，作用是高頻濾波。C6和C7為100μF儲能電容。380V交流電由L1、L2進入，經過兩級穩壓后得到3.3V穩定的低壓直流電源供單片機系統使用。

為了檢驗和兩種措施提高抗擾能力的效果，分別采用加裝扼流圈的電源和采用兩級降壓電路的電源對單片機控制系統供電，然后進行EFT/B試驗，試驗結果如表2所示。

由表2可知，當脈沖峰值電壓達到2.15kV時，兩個系統都能正常工作，但是繼續增大電壓峰值，加裝扼流圈的系統就會出現復位，當電壓峰值達到2.45kV是系統徹底不能工作，此時，采用兩級降壓的系統仍然正常工作。直到脈沖群峰值電壓達到4.02kV時數碼管仍然能正常計數，單片機系統的抗擾能力達到了IEC61000-4-4:2004規定的嚴酷等級第4級，比添加共模扼流圈的效果提升了兩個等級，同時單片機系統運行穩定。

六、結論

本文針對低功率PIC16F887單片機控制系統采用電容降壓電源能否正常工作，以及在不同電壓等級下EFT抗擾能力強弱的問題，提出了一種新的電容降壓電源，采用電快速瞬變脈沖群對比試驗，研究了單片機系統在5V電源系統和3.3V電源系統中的抗擾能力強弱，得出了以下結果：

（1）單片機系統采用電容降壓電路作為電源能穩定工作；

（2）單片機系統在3.3V電源系統中的抗擾能力弱于在5V電源系統中工作；

（3）電源端采用兩級穩壓電路后，3.3V系統抗擾能力達到IEC61000-4-4嚴酷等級第4級。

這種電源端的改進電路體積小、成本低，更適合企業生產采用。