电量表应用中电压监控器设计方案

随着世界各地的电网随着时间的推移变得越来越智能，复杂的电子设计是必要的。同时，不能损害长期系统可靠性。智能电表监控各种系统电压，以防止导致测量不一致或系统故障的意外情况。

图 1 中显示的通用电子表应用程序由几个模块组成，这些模块协同工作以测量消耗的电量。

图1 ：电表系统框图示例

这篇博文解释了 DC/DC 电源、计量和应用模块（以红色标出）的用途，并深入探讨了电源电压监控器/看门狗定时器子系统的重要性。从一般设计的角度来看，监控电力消耗的系统需要精确、紧凑和可靠。

DC/DC 电源子系统要求：宽 V IN和低 I Q

电表通常从主 AC 电源接收 12 V 至 24 V 电压，然后将其转换为 3.3 V 或 5 V 直流电压，为系统的其余部分供电。电压监控器确保主电源和所有电源轨都在系统要求范围内，以便系统正确运行。如果该模块中的电压出现故障或掉电，则电压监控解决方案需要标记故障情况，以便系统的其余部分可以正常关闭。

如果主电源不能提供足够的电力，开关将连接备用电池或超级电容器到系统中，以临时提供所需的电力。一般来说，依靠备用电源储备的系统可以从这种关键操作条件下的任何节电中受益，因为较低功率的系统将在电源储备上持续更长时间。DC/DC 电源模块需要一个具有宽 V IN的电压监控器，以监控高达 24 V 的电压，并在使用电源储备时实现低功耗。

计量和应用子系统要求：高精度和可编程延迟

计量模块通过传感器连接到外部世界，负责在将信息发送到微控制器 (MCU) 进行处理之前进行实际的电力测量。应用程序块有另一个 MCU，除了显示信息外，还可以格式化和存储数据。该块负责监控整个系统，并作为系统和数据输出之间的主要接口。

在这些模块中，准确监控为 MCU 供电的电压轨和 MCU 活动对于确保可靠和一致的测量至关重要。如果 MCU 未处于正确的工作状态，电压监控器或看门狗定时器可以在任何其他问题出现之前标记故障。在监测电压时，特别是在需要精确、稳健和可靠测量的系统中，电压监测精度对于快速准确地确定系统何时未以最佳性能运行非常重要。

此外，每当应用程序使用 MCU 或多个不同的外设时，可能需要可编程启动延迟以进行排序。当 MCU 或其他外设在系统开始正常运行之前需要特定的时间来启动或完成任务时，可编程延迟将发挥重要作用。此外，当发生故障情况时，可能需要特定的复位延迟，以便 MCU 和/或外设在释放复位之前完成任务。在这种情况下，可编程延迟功能提供了一种可编程且简单的解决方案，以增加灵活性。

电表设计要求审查

图 1 中列出的所有三个模块都需要具有宽 V IN、低功耗、高精度和可编程延迟的电压监控器。一个值得考虑的好选择是 TPS3840，因为它在一个设备中提供了这些要求的平衡。

TPS3840 具有高达 24V 或更高的宽输入电压范围，带有用于监控高低压轨的外部电阻器、1% 的典型电压监控精度，并且仅消耗 350nA 的功率，同时提供可编程延迟。此外，TPS3840 提供了显着的精度和灵活性，这是仅通过 MCU 中的内部模数转换器监控无法获得的。与 MCU 中的内部 ADC 监控相比，TPS3840 在电压监控阈值选项、更低的上电复位电压和更快的启动延迟方面具有更大的灵活性。

上电复位定义为定义输出之前的最小输入电压，这对于防止可能产生错误故障或过早系统启动的毛刺至关重要。TPS3840 的启动延迟仅为 220 µs，这意味着 TPS3840 甚至可以在系统其余部分上电之前开始监控电压。总体而言，电压监控器通过持续监控为电表内部供电的电压轨来确保正确的系统功能。

计量和应用模块中的外部看门狗定时器将通过检测 MCU 的通用输入/输出引脚发送的脉冲来确保 MCU 不会周期性地锁存或毛刺。如果软件出现故障并且错过了一个脉冲，外部看门狗定时器将复位 MCU。

TPS3430 可编程看门狗定时器是一个不错的选择，因为它提供了可编程看门狗超时和看门狗复位延迟，以满足任何 MCU 的时序要求。