基于低功率PIC16F887单片机的控制系统抗干扰能力改进

马胜利 李邓化 王海

1.北京信息科技大学 自动化学院，北京100101；2.国源容开国际科技（北京）股份有限公司，北京 100044

一、引言

随着集成电路工艺的发展，为了降低集成电路的功耗，数字集成电路的电源电压是逐步降低的。在电子电路设计中，应用最广泛的电源电压等级是3.3V和5V。目前，从5V系列到3.3V等系列的数字电路芯片的核心电压以及I/O电平都小于3.3V，有的芯片电源电压已经降低到1.2V[1]。

一般说，电容降压电路给单片机供电，具有体积小、低功耗的优点，是变压器降压电源无可比拟的，但是单片机容易损坏、工作不稳定和易受干扰。本文采用电容降压电路供电，按照IEC61000-4-4标准，对PIC16F887单片机的最小控制系统进行EFT/B试验，并且针对电源端，提出改进电路以增加抗扰能力。

二、电容降压电源

传统电容降压直流电路如图1所示[2]，其中，R1为限流电阻，防止二极管在上电瞬间由于浪涌电流烧坏，C1为降压电容器，D1为半波整流二极管，D2在市电的负半周时给C1提供放电回路，D3是稳压二极管，其稳压值取决于电源输出电压要求，并注意其最大功率的选取，因为当负载开路时，所有的电流都会流经D3，C2为储能电容，可根据输出纹波要求选择适当容量的电解电容。R2为关断电源后C1的电荷泄放电阻，为断电后降压电容C1上存储的高压提供泄放回路，以防止触摸时电击伤人。

电子电路设计中，应用最广泛的电源电压等级是3.3V和5V，如果采用这种传统的电容降压电路，D3就要选择5V或3.3V稳压管，但是和更大电压的稳压管相比，这两种稳压管的伏安特性很差，负载电流波动时不能提供稳定的电压输出。

本文提出了一种改进的电容降压电路，如图2所示。其中，D3采用具有良好伏安特性的15V稳压管，并且增加三端稳压器，用来提供5V或3.3V的输出，C3为储能电容，电路中有两个储能电容，能够保证断电情况下单片机有足够的时间完成相应动作。

降压电容C1的容抗由负载电流决定，即：

其中，电源端需要提供负载电流为15mA，由于是半波整流电路，所以电容C1后面的电路只能得到C1半个周期的充放电电流，也就是有效值的一半，所以流经C1的电流有效值Ic=30mA。交流输入电压U=380V，市电工频F=50Hz，所以C1=2.55×10-7F。

泄放电阻一般采用小功率电阻，阻值100kΩ ～ 2.2MΩ。滤波电容C2用680μF，耐压值取输出直流电压的1.5倍即可，此处采用25V。考虑到试验的重复性和可对比性，采用HT7150和HT7133三端口低功耗高电压调整器为PIC16F887系统分别提供5V和3.3V直流电压。C3为1000μF铝电解电容。单片机休眠状态和工作状态相互转换时负载电流会产生较大波动，改进后的电容降压电源具有更大的负载电流波动阈值，能保证单片机稳定的工作电压。

三、试验电路

PIC16F887单片机控制数码管循环计数系统电路如图3所示。

电路由PIC16F887单片机、上电复位系统、电源系统、共阳极数码管显示系统组成。本试验目的是验证在不同电压等级下单片机的EFT抗干扰能力，因此需要排除其他干扰因素，简化问题，便于抗干扰能力的对比，所以采用PIC16F887单片机最小控制系统，使用内部晶振，PCB板上不存在多余的电子器件，单片机执行数码管循环计数程序，且程序尽量短[3]。

四、电快速瞬变脉冲群试验

通过EFT/B试验[4-5]，测试低功率PIC16F887单片机控制系统在电容降压电路中是否能稳定工作，并且针对5V系统与3.3V的EFT/B抗干扰能力做出对比。

调节EFT/B发生器设备参数：脉冲重复频率FREQ=100kHz；脉冲群周期PERIOD=300ms；脉冲个数SPIKES=75；运行时间TIMER=20s；耦合方式OUTPUT=L1L2；被试品电源EUT-P=ON。

表1 PIC16F887系统在5V电路和3.3V电路中抗EFT干扰能力

调整脉冲峰值电压VOLTAGE的取值（0.25kV～4.5kV），进行不同峰值电压等级的试验，电容降压电源分别提供5V和3.3V输出，在被试单片机控制系统加入干扰信号时，其运行情况如表1所示。

PIC16F887单片机在5V供电下的控制系统，当脉冲群峰值电压为2.15kV时数码管能正常计数，再增大就会产生复位现象，随着脉冲峰值电压的增大复位越来越频繁，当电压达到2.50kV时候数码管保持复位状态，并且不能自行恢复。在3.3V供电下的控制系统中，当脉冲群峰值电压为1.90kV时数码管能正常计数，随后增大脉冲峰值电压会产生复位现象，并且复位越来越频繁，当电压达到2.30kV时候数码管保持复位状态，并且不能自行恢复。

由试验数据可知，PIC16F887单片机在5V供电下的控制系统比3.3V供电下抗干扰能力更强。如果在3.3V供电的电子产品中应用PIC16F887单片机，需要采取抗干扰措施，提高电路的抗扰能力。

五、电源端抗干扰措施

表2 加共模扼流圈的系统和采用两级稳压的系统在3.3V电路中EFT抗干扰能力

本试验采用的上海三基电子的SKS-0404GB脉冲群发生器已经集合了耦合/去耦网络，这个网络提供了在不对称条件下把试验电压施加到受试设备的电源端口的能力，在电源线上的干扰是共模干扰[5]。

对于这种干扰，传统方法是在电容降压电源输入端加装共模扼流圈[6]，如图4所示，干扰源产生同时流进线圈的电流，两线圈产生的磁通是相同方向的，有相互加强的作用，每一个线圈共模阻抗提高，共模电流大大减弱。

但是在企业生产中，磁环体积大、成本高并且绕线复杂，不适合批量生产，本文提出一种电路改进方案，采用两级稳压电路如图5所示。其中，C4和C5为0.1μF贴片电容，作用是高频滤波。C6和C7为100μF储能电容。380V交流电由L1、L2进入，经过两级稳压后得到3.3V稳定的低压直流电源供单片机系统使用。

为了检验和两种措施提高抗扰能力的效果，分别采用加装扼流圈的电源和采用两级降压电路的电源对单片机控制系统供电，然后进行EFT/B试验，试验结果如表2所示。

由表2可知，当脉冲峰值电压达到2.15kV时，两个系统都能正常工作，但是继续增大电压峰值，加装扼流圈的系统就会出现复位，当电压峰值达到2.45kV是系统彻底不能工作，此时，采用两级降压的系统仍然正常工作。直到脉冲群峰值电压达到4.02kV时数码管仍然能正常计数，单片机系统的抗扰能力达到了IEC61000-4-4:2004规定的严酷等级第4级，比添加共模扼流圈的效果提升了两个等级，同时单片机系统运行稳定。

六、结论

本文针对低功率PIC16F887单片机控制系统采用电容降压电源能否正常工作，以及在不同电压等级下EFT抗扰能力强弱的问题，提出了一种新的电容降压电源，采用电快速瞬变脉冲群对比试验，研究了单片机系统在5V电源系统和3.3V电源系统中的抗扰能力强弱，得出了以下结果：

（1）单片机系统采用电容降压电路作为电源能稳定工作；

（2）单片机系统在3.3V电源系统中的抗扰能力弱于在5V电源系统中工作；

（3）电源端采用两级稳压电路后，3.3V系统抗扰能力达到IEC61000-4-4严酷等级第4级。

这种电源端的改进电路体积小、成本低，更适合企业生产采用。