【技术大神】32位低功耗MCU在故障指示器中的应用及设计注意事项
电力安全稳定运行越来越重要，配电网直接是针对于用户供电，对于配电网安全稳定来说尤为重要，故配电网的故障检测机制也是必不可少。这样可以快速定位故障，并能及时隔离故障和修复故障。
在环网配电系统中，特别是大量使用环网负荷开关的系统中，如果下一级发生短路和接地故障，需要尽快隔离，不然会造成大面积电网故障。故障指示器就可以快速检测线路短路和接地故障，图1为故障指示器应用框图。
图1：故障指示器应用框图
故障指示器主要有电能采集、电源系统、AC电流电压采集回路、主处理单元和无线通信部分。对于供电系统来说，电力故障指示器采用电池和外部电源两种供电方式（外部电源电压AC220V）。电池的方式是通过蓄电池+感应取电方式来供电，外部电源是通过太阳能电池板供电的。不管哪种方式，需要整个系统的功耗要低，才能应对电池供电或者太阳能电池板供电。本设计采用了SILICON LABS的32位低功耗MCU EFM32PG12B500F1024GM48，此MCU资源丰富，具有多个12bit高速ADC通道，可用于模拟量的采集，具有SPI，Uart，I2C多种通信接口，可以通过这些接口与Si4438 RF模块进行通信。此处理器具有45uA/MHz@3V休眠模式功耗，具有180uA/MHz@3V的正常供电功耗。具有灵活的电源隔离系统，内部RTC功能，以及很强的处理性能，能够对数据进行实时传输处理。基于该32位低功耗MCU的故障指示器详细的电路框图如图2所示。
图2：故障指示器详细的电路框图
通过与A厂家的MCU的功耗进行比对，在32位处理器性能上，同时运行在30MHz频率下，EFM32的电流为5mA，而A厂家的低功耗产品在12mA左右。EFM32 MCU是业界领先的低功耗产品，还可以不断通过软件设置优化此芯片的功耗。EFM32还具有非常好的加密功能，能够为电力线数据传输保驾护航。
另外，故障指示器里面的MCU有一个非常重要的功能就是线路电流采样，主要测量短路电流、零序电流和接地电流。EFM32PG12具有内置12位SAR ADC，能够在LPM3低功耗模式下工作，无需唤醒MCU。EFM32PG12内部ADC具有1MHz的采样速率，实际应用可以根据需要调整采样速率，功耗对应的对下降，在1MHz的采样速率的时候，功耗为280uA，而在250kbps的采样速率时，功耗仅仅140uA，通常应用在250k就足够了。
图3为主MCU的电路图。
图3：主MCU的电路图
对于高可靠性低功耗的电力故障指示器设计需要注意：
1）产品需要低功耗，除了MCU和RF芯片需具备低功耗性能外，还需要对供电回路进行优化，采用高转换效率的DC-DC来设计各个回路供电电源，同时MCU通过软件优化调节RF的功耗；
2）在设计RF电路时，射频走线的长度要尽量短，线宽严格按照计算好的值去设定。尤其要注意的是，射频走线中不要有任何带有尖状的折点，在走线的转折处，最好用弧线来实现；
3）在电力产品设计时，低功耗产品稳定可靠设计尤为重要，PCB设计尤为关键。在PCB布局时，需要将强电和弱电分开，留足够的间距，避免线路间的串扰。其次是弱电，特别是MCU部分需要铺铜，提高芯片电路的抗干扰性，时钟和电源电路也是如此；
4）对于模拟量采集电路设计需要注意的点是，模拟前端进行多次滤波，设置400Hz的截止频率，滤除高频干扰，还需要注意整机的密封性，采用导电布让机壳间有效的搭接，能够更好的防护EMC干扰。
作者：零点
相关技术文档：
Silicon Labs EFM32PG12 Pearl Gecko 32位MCU数据手册 详情>>>
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用户_8683 Lv4 2017-11-29谢谢您的分享，很专业！点赞！ -
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海绵宝宝 Lv7. 资深专家 2017-09-19写得很详细，有借鉴参考价值。 -
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SunnyPlus Lv7. 资深专家 2017-08-20图文并茂，很好！ -
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大欢哥 Lv7. 资深专家 2017-07-28设计思路不错 -
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饮水者 Lv8. 研究员 2017-07-20很牛呀 -
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陆二舒 Lv5. 技术专家 2017-07-20好
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