原标题：电量表应用中电压监控器设计方案

基于TPS3840与TPS3430的电量表电压监控器设计方案

在电量表应用中，电压监控系统的设计直接关系到设备的稳定性、精度和可靠性。传统方案中，电压监控多依赖MCU内置ADC或分立元件搭建，存在功耗高、响应速度慢、抗干扰能力弱等问题。本文提出一种基于TPS3840电压监控器与TPS3430看门狗定时器的解决方案，通过器件选型、功能分析及电路设计，实现低功耗、高精度、宽输入范围的电压监控与系统保护功能。

一、设计背景与需求分析

电量表通常需要监测主电源、备用电源及MCU供电轨的电压状态，确保系统在异常情况下安全关闭或切换至备用电源。典型需求包括：

1. 宽输入电压范围：支持12V至24V主电源输入，兼容不同供电环境。

2. 低功耗设计：静态电流需低于1μA，以延长备用电源（如超级电容）的续航时间。

3. 高精度监控：电压阈值检测精度需优于1%，避免误触发或漏检。

4. 快速响应与可编程延迟：支持80μs至600ms的响应时间配置，适应不同负载的启动特性。

5. 看门狗保护：防止MCU因软件故障导致系统锁死，需支持可编程超时与复位延迟。

二、核心器件选型与功能解析

2.1 TPS3840电压监控器

器件型号：TPS3840DL30（欠压监控）、TPS3840PH30（过压监控）
核心功能：

• 宽输入电压范围：支持1.6V至4.9V（TPS3840DL30）或2.8V至5.5V（TPS3840PH30），覆盖电量表典型供电轨（如3.3V、5V）。

• 超低功耗：静态电流仅350nA，典型应用场景下功耗低于1μA，满足备用电源场景需求。

• 高精度监控：电压阈值精度±1%，支持0.1V步进调整，避免因电压波动导致的误动作。

• 可编程响应延迟：通过外部电容配置80μs至600ms的复位延迟，适应不同负载的启动特性。

• 灵活输出配置：提供低电平有效（Open-Drain）和高电平有效（Push-Pull）两种输出模式，兼容多种复位逻辑。

选型依据：

• 功耗优势：相比MCU内置ADC监控方案，TPS3840静态电流降低90%以上，显著延长备用电源续航时间。

• 精度与灵活性：内置1%精度基准电压源，无需外部分压电阻校准，简化设计并提升可靠性。

• 快速启动：启动延迟仅220μs，可在MCU初始化前完成电压监控，避免系统带病启动。

2.2 TPS3430看门狗定时器

器件型号：TPS3430WDRCR
核心功能：

• 窗口看门狗机制：支持可编程超时窗口（如100ms至10s），避免因MCU喂狗信号抖动导致的误复位。

• 低功耗设计：工作电流仅10μA，典型应用场景下功耗低于20μA，满足电量表长期运行需求。

• 可编程复位延迟：通过外部电阻或电容配置复位延迟时间，确保系统在复位前完成关键数据保存。

• 宽输入电压范围：支持1.6V至6.5V供电，兼容3.3V/5V系统。

• 禁用功能：通过SET引脚可禁用看门狗功能，便于开发调试。

选型依据：

• 高可靠性：窗口看门狗机制可有效检测MCU死循环或程序跑飞，避免传统看门狗因喂狗信号异常导致的误动作。

• 低功耗优势：相比分立RC电路实现的看门狗方案，TPS3430功耗降低80%以上，且精度更高。

• 小型封装：采用3mm×3mm VSON-10封装，节省PCB空间，适应紧凑型电量表设计。

三、电路设计与实现

3.1 电压监控电路设计

以TPS3840DL30为例，设计欠压监控电路：

1. 输入分压网络：

• 通过外部电阻分压将输入电压（如12V）降至TPS3840可监测范围（1.6V至4.9V）。

• 计算公式：VSENSE=VIN×R1+R2R2，其中VSENSE需设置为3V（TPS3840DL30阈值）。

• 示例：R1=270kΩ，R2=100kΩ，分压后VSENSE=3V（输入12V时）。

2. 复位延迟配置：

• 通过外部电容C1配置复位延迟时间（TD），计算公式：TD=1.1×REXT×C1。

• 示例：REXT=100kΩ，C1=1μF，则TD=110ms。

3. 输出连接：

• RESET引脚连接至MCU复位引脚或电源开关控制信号，低电平有效。

3.2 看门狗电路设计

以TPS3430WDRCR为例，设计看门狗监控电路：

1. 超时窗口配置：

• 通过外部电阻R2和电容C2配置看门狗超时时间（TWDO），计算公式：TWDO=1.1×R2×C2。

• 示例：R2=1MΩ，C2=0.1μF，则TWDO=110ms。

2. 复位延迟配置：

• 通过外部电容C3配置复位延迟时间（TRST），计算公式：TRST=1.1×R3×C3。

• 示例：R3=100kΩ，C3=1μF，则TRST=110ms。

3. 喂狗信号连接：

• MCU通过GPIO定期向WDI引脚发送脉冲（频率需小于TWDO），避免看门狗超时。

3.3 多轨监控与级联设计

TPS3840支持菊花链级联，实现多轨电压监控：

1. 级联方式：

• 将多个TPS3840的RESET引脚通过二极管OR电路连接，任意一路电压异常均可触发系统复位。

• 示例：监控3.3V、5V、12V三路电源，任一路欠压均可复位系统。

2. 优先级控制：

• 通过外部电阻调整各路TPS3840的复位延迟时间，实现优先级控制（如优先保护MCU供电轨）。

四、设计优势与性能对比

4.1 功耗对比

4.2 精度与响应速度对比

4.3 可靠性对比

• 抗干扰能力：TPS3840内置迟滞电路（如TPS3840DL30迟滞电压100mV），可有效抑制电压波动导致的误复位。

• 故障恢复：TPS3430支持可编程复位延迟，确保系统在复位前完成关键数据保存，避免数据丢失。

五、应用案例与验证

5.1 三相智能电表应用

在三相智能电表中，TPS3840监控主电源（12V）、MCU供电轨（3.3V）和备用电源（超级电容），TPS3430监控MCU运行状态。

• 测试结果：

• 主电源欠压时，TPS3840在110ms内触发复位，系统切换至备用电源。

• MCU因软件故障锁死时，TPS3430在110ms后复位系统，恢复时间小于200ms。

5.2 光伏逆变器应用

在光伏逆变器中，TPS3840监控直流母线电压（24V至60V，通过分压网络）和MCU供电轨（5V），TPS3430监控DSP运行状态。

• 测试结果：

• 直流母线过压时，TPS3840在150ms内触发保护动作，关闭IGBT驱动。

• DSP因电磁干扰死机时，TPS3430在120ms后复位系统，恢复时间小于250ms。

本文提出的基于TPS3840与TPS3430的电压监控方案，通过器件选型、电路设计与功能验证，实现了电量表应用中的低功耗、高精度、宽输入范围监控需求。相比传统方案，该方案在功耗、精度、响应速度和可靠性方面具有显著优势，适用于智能电表、光伏逆变器、电动汽车充电桩等高可靠性工业场景。

未来，随着电量表功能复杂度的提升（如增加边缘计算、通信功能），电压监控系统需进一步优化功耗与集成度。德州仪器等厂商推出的新一代监控芯片（如TPS3823，集成看门狗与电压监控功能）将提供更紧凑的解决方案，推动电量表向更高性能、更低功耗方向发展。