原標題：電量表應用中電壓監控器設計方案

基于TPS3840與TPS3430的電量表電壓監控器設計方案

在電量表應用中，電壓監控系統的設計直接關系到設備的穩定性、精度和可靠性。傳統方案中，電壓監控多依賴MCU內置ADC或分立元件搭建，存在功耗高、響應速度慢、抗干擾能力弱等問題。本文提出一種基于TPS3840電壓監控器與TPS3430看門狗定時器的解決方案，通過器件選型、功能分析及電路設計，實現低功耗、高精度、寬輸入范圍的電壓監控與系統保護功能。

一、設計背景與需求分析

電量表通常需要監測主電源、備用電源及MCU供電軌的電壓狀態，確保系統在異常情況下安全關閉或切換至備用電源。典型需求包括：

1. 寬輸入電壓范圍：支持12V至24V主電源輸入，兼容不同供電環境。

2. 低功耗設計：靜態電流需低于1μA，以延長備用電源（如超級電容）的續航時間。

3. 高精度監控：電壓閾值檢測精度需優于1%，避免誤觸發或漏檢。

4. 快速響應與可編程延遲：支持80μs至600ms的響應時間配置，適應不同負載的啟動特性。

5. 看門狗保護：防止MCU因軟件故障導致系統鎖死，需支持可編程超時與復位延遲。

二、核心器件選型與功能解析

2.1 TPS3840電壓監控器

器件型號：TPS3840DL30（欠壓監控）、TPS3840PH30（過壓監控）
核心功能：

• 寬輸入電壓范圍：支持1.6V至4.9V（TPS3840DL30）或2.8V至5.5V（TPS3840PH30），覆蓋電量表典型供電軌（如3.3V、5V）。

• 超低功耗：靜態電流僅350nA，典型應用場景下功耗低于1μA，滿足備用電源場景需求。

• 高精度監控：電壓閾值精度±1%，支持0.1V步進調整，避免因電壓波動導致的誤動作。

• 可編程響應延遲：通過外部電容配置80μs至600ms的復位延遲，適應不同負載的啟動特性。

• 靈活輸出配置：提供低電平有效（Open-Drain）和高電平有效（Push-Pull）兩種輸出模式，兼容多種復位邏輯。

選型依據：

• 功耗優勢：相比MCU內置ADC監控方案，TPS3840靜態電流降低90%以上，顯著延長備用電源續航時間。

• 精度與靈活性：內置1%精度基準電壓源，無需外部分壓電阻校準，簡化設計并提升可靠性。

• 快速啟動：啟動延遲僅220μs，可在MCU初始化前完成電壓監控，避免系統帶病啟動。

2.2 TPS3430看門狗定時器

器件型號：TPS3430WDRCR
核心功能：

• 窗口看門狗機制：支持可編程超時窗口（如100ms至10s），避免因MCU喂狗信號抖動導致的誤復位。

• 低功耗設計：工作電流僅10μA，典型應用場景下功耗低于20μA，滿足電量表長期運行需求。

• 可編程復位延遲：通過外部電阻或電容配置復位延遲時間，確保系統在復位前完成關鍵數據保存。

• 寬輸入電壓范圍：支持1.6V至6.5V供電，兼容3.3V/5V系統。

• 禁用功能：通過SET引腳可禁用看門狗功能，便于開發調試。

選型依據：

• 高可靠性：窗口看門狗機制可有效檢測MCU死循環或程序跑飛，避免傳統看門狗因喂狗信號異常導致的誤動作。

• 低功耗優勢：相比分立RC電路實現的看門狗方案，TPS3430功耗降低80%以上，且精度更高。

• 小型封裝：采用3mm×3mm VSON-10封裝，節省PCB空間，適應緊湊型電量表設計。

三、電路設計與實現

3.1 電壓監控電路設計

以TPS3840DL30為例，設計欠壓監控電路：

1. 輸入分壓網絡：

• 通過外部電阻分壓將輸入電壓（如12V）降至TPS3840可監測范圍（1.6V至4.9V）。

• 計算公式：VSENSE=VIN×R1+R2R2，其中VSENSE需設置為3V（TPS3840DL30閾值）。

• 示例：R1=270kΩ，R2=100kΩ，分壓后VSENSE=3V（輸入12V時）。

2. 復位延遲配置：

• 通過外部電容C1配置復位延遲時間（TD），計算公式：TD=1.1×REXT×C1。

• 示例：REXT=100kΩ，C1=1μF，則TD=110ms。

3. 輸出連接：

• RESET引腳連接至MCU復位引腳或電源開關控制信號，低電平有效。

3.2 看門狗電路設計

以TPS3430WDRCR為例，設計看門狗監控電路：

1. 超時窗口配置：

• 通過外部電阻R2和電容C2配置看門狗超時時間（TWDO），計算公式：TWDO=1.1×R2×C2。

• 示例：R2=1MΩ，C2=0.1μF，則TWDO=110ms。

2. 復位延遲配置：

• 通過外部電容C3配置復位延遲時間（TRST），計算公式：TRST=1.1×R3×C3。

• 示例：R3=100kΩ，C3=1μF，則TRST=110ms。

3. 喂狗信號連接：

• MCU通過GPIO定期向WDI引腳發送脈沖（頻率需小于TWDO），避免看門狗超時。

3.3 多軌監控與級聯設計

TPS3840支持菊花鏈級聯，實現多軌電壓監控：

1. 級聯方式：

• 將多個TPS3840的RESET引腳通過二極管OR電路連接，任意一路電壓異常均可觸發系統復位。

• 示例：監控3.3V、5V、12V三路電源，任一路欠壓均可復位系統。

2. 優先級控制：

• 通過外部電阻調整各路TPS3840的復位延遲時間，實現優先級控制（如優先保護MCU供電軌）。

四、設計優勢與性能對比

4.1 功耗對比

4.2 精度與響應速度對比

4.3 可靠性對比

• 抗干擾能力：TPS3840內置遲滯電路（如TPS3840DL30遲滯電壓100mV），可有效抑制電壓波動導致的誤復位。

• 故障恢復：TPS3430支持可編程復位延遲，確保系統在復位前完成關鍵數據保存，避免數據丟失。

五、應用案例與驗證

5.1 三相智能電表應用

在三相智能電表中，TPS3840監控主電源（12V）、MCU供電軌（3.3V）和備用電源（超級電容），TPS3430監控MCU運行狀態。

• 測試結果：

• 主電源欠壓時，TPS3840在110ms內觸發復位，系統切換至備用電源。

• MCU因軟件故障鎖死時，TPS3430在110ms后復位系統，恢復時間小于200ms。

5.2 光伏逆變器應用

在光伏逆變器中，TPS3840監控直流母線電壓（24V至60V，通過分壓網絡）和MCU供電軌（5V），TPS3430監控DSP運行狀態。

• 測試結果：

• 直流母線過壓時，TPS3840在150ms內觸發保護動作，關閉IGBT驅動。

• DSP因電磁干擾死機時，TPS3430在120ms后復位系統，恢復時間小于250ms。

本文提出的基于TPS3840與TPS3430的電壓監控方案，通過器件選型、電路設計與功能驗證，實現了電量表應用中的低功耗、高精度、寬輸入范圍監控需求。相比傳統方案，該方案在功耗、精度、響應速度和可靠性方面具有顯著優勢，適用于智能電表、光伏逆變器、電動汽車充電樁等高可靠性工業場景。

未來，隨著電量表功能復雜度的提升（如增加邊緣計算、通信功能），電壓監控系統需進一步優化功耗與集成度。德州儀器等廠商推出的新一代監控芯片（如TPS3823，集成看門狗與電壓監控功能）將提供更緊湊的解決方案，推動電量表向更高性能、更低功耗方向發展。