南京國電南自自動化有限公司 陳繼洪

國家的碳中和、碳達峰戰(zhàn)略計劃頒布后，能源領(lǐng)域針對自身特點，將發(fā)展水電、風(fēng)電及分布式光伏發(fā)電等清潔環(huán)保發(fā)電方式作為重要工作，面對越來越多樣化的安裝環(huán)境，繼電保護控制裝置的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性要求也越來越高。繼電保護控制裝置發(fā)生供電電壓跌落現(xiàn)象時，裝置內(nèi)的存儲器件可能會出現(xiàn)誤擦除、誤寫入等問題，這將極有可能導(dǎo)致整個繼電保護裝置工作異常、無法啟動等嚴(yán)重故障。按照《GB/T 14598.26量度繼電器和保護裝置》第26部分電磁兼容的要求，繼電保護裝置在發(fā)生供電電壓暫降、瞬斷時，允許出現(xiàn)暫時性功能喪失，但要求在故障消失后能自恢復(fù)。

針對這一問題，相關(guān)學(xué)者的研究已經(jīng)取得了一定的成果，文獻[1]闡述對比了備份文件方式和高可靠性系統(tǒng)設(shè)計兩種方案解決繼電保護裝置意外掉電破壞參數(shù)問題的優(yōu)缺點；文獻[2]對eMMC 進行可靠性特性分析，針對常見的掉電失效模式提出了文件系統(tǒng)感知的磨損均衡、依據(jù)數(shù)據(jù)的屬性合理映射分區(qū)、減少寫入次數(shù)以及降低寫放大效應(yīng)等措施；文獻[3]公開了一種應(yīng)用于非易失性存儲器件的硬件掉電保護方案，通過主備分區(qū)的冗余設(shè)計，以備份標(biāo)志、備份次數(shù)為依據(jù)進行掉電保護更新。

以上幾個文獻公開的方案主要是從存儲器工作過程中進行軟件備份或者規(guī)避，無法解決電壓波動引起的存儲器件誤操作問題。針對這一場景本文提出了一種低成本、高可靠性的硬件掉電保護電路設(shè)計方案，在發(fā)生供電異常時通過控制存儲器件外部硬件寫保護管腳屏蔽寫操作來保護數(shù)據(jù)，文中經(jīng)過理論分析和仿真驗證，可以有效的解決該場景下誤操作問題。

1 硬件架構(gòu)設(shè)計

Nor Flash 一般用于存放繼電保護控制裝置CPU 處理器正常工作所需的BIOS 程序，是非常重要的一個存儲器件，一旦出現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)改寫或者丟失就會導(dǎo)致整個繼電保護裝置無法啟動，下文就以Nor Flash 為例進行分析和研究。

1.1 存儲芯片功能簡介

Nor Flash 芯片常用SPI 接口，包括設(shè)備選擇線、時鐘線、串行輸出數(shù)據(jù)線、串行輸入數(shù)據(jù)線4根信號線。芯片廠家在設(shè)計時考慮到Nor Flash 容易發(fā)生存儲數(shù)據(jù)改寫、丟失等問題，在芯片內(nèi)部集成了寫保護功能，可以通過外部寫保護管腳WP#和內(nèi)部寄存器配合實現(xiàn)大部分場景下的存儲數(shù)據(jù)保護功能，以兆易創(chuàng)新GD25Q64C 系列Nor Flash 為例，其芯片內(nèi)置寫保護功能可以歸納成表1所示的真值表。目前業(yè)界常用的寫保護管腳WP#接法是外部硬件寫保護不使能，交由軟件通過寫使能位WEL 進行寫使能控制。但是這種方案在芯片發(fā)生供電波動、掉電等異常場景時芯片本身工作狀態(tài)不正常，軟件寫控制功能無法生效。

表1 Nor Flash 寫保護功能真值表

1.2 掉電保護電路架構(gòu)

存儲器件在供電不穩(wěn)定時SPI 接口信號線狀態(tài)是不確定的，有可能會觸發(fā)錯誤的讀寫操作，導(dǎo)致存儲數(shù)據(jù)發(fā)生改寫、擦除等嚴(yán)重故障。針對這一問題，本文提出了一種低成本、電路簡單的硬件掉電保護電路設(shè)計方案，在繼電保護裝置上電、下電以及供電欠壓時，通過使能存儲器件硬件寫保護管腳WP#，屏蔽掉所有的軟件寫操作，保證不發(fā)生誤操作。

本文提出的硬件掉電保護電路設(shè)計方案架構(gòu)如圖1(a)，該設(shè)計方案架構(gòu)由欠壓檢測模塊、看門狗復(fù)位模塊、外部信號采集模塊以及信號匯總模塊組成。其中，欠壓信號、復(fù)位信號和故障信號都是低電平有效，經(jīng)過信號匯總模塊“與”操作后產(chǎn)生用于控制存儲器件外部硬件寫保護管腳WP#的控制信號，只有在欠壓信號、復(fù)位信號和故障信號都為高電平正常狀態(tài)時存儲器件的外部硬件寫保護功能才是不使能狀態(tài)，此時才能對存儲器件發(fā)起寫入操作。

欠壓檢測模塊如圖1(b)所示，遲滯比較器電路構(gòu)成了電壓檢測電路，小信號mos 管構(gòu)成極性翻轉(zhuǎn)電路，用于監(jiān)控存儲器件的供電電壓狀態(tài)。當(dāng)供電電壓高于設(shè)定的閾值時輸出的控制信號翻轉(zhuǎn)成高電平正常狀態(tài)。看門狗復(fù)位模塊在CPU 處理器系統(tǒng)中比較常見，主要用于系統(tǒng)程序跑飛時產(chǎn)生復(fù)位信號，使得CPU 處理器復(fù)位后恢復(fù)正常工作狀態(tài)，此處將看門狗復(fù)位信號引過來是規(guī)避CPU 處理器狀態(tài)異常時發(fā)起的未知隨機操作，不額外增加電路成本。外部信號采集模塊用于采集其他關(guān)聯(lián)裝置送過來的故障信號做聯(lián)動處理，此模塊為可擴展模塊。

信號匯總模塊如圖1(c)所示，使用3個二極管組成“線與”電路，只有當(dāng)3個輸入信號都為高電平，即無異常狀態(tài)時輸出信號才會是高電平狀態(tài)，后級的存儲器件才能正常進行寫操作。

圖1 硬件掉電保護電路

2 參數(shù)設(shè)計及仿真驗證

本文提出的硬件掉電保護電路欠壓保護動作點和恢復(fù)點可以根據(jù)實際場景進行設(shè)定。圖1(b)中控制信號由低電平翻轉(zhuǎn)到高電平時，供電電源Vih可以用如下公式表示：Vih=R3/(R2+R3)×VREF-R2/(R2+R3)×VL（1），式中，VREF為參考電壓值，VL為比較器供電負電壓；圖1(b)中控制信號由高電平翻轉(zhuǎn)到低電平時，供電電源Vil可以用如下公式表示：Vil=R3/(R2+R3)×VREF-R2/(R2+R3)×VH（2），式中，VREF為參考電壓值，VH為比較器供電正電壓；綜合公式(1)(2)，回差電壓ΔV 可以表示為：ΔV=R2/(R2+R3)(VH-VL)（3）。

結(jié)合應(yīng)用場景，參考電壓VREF取2.5V，比較器供電正電壓VH取3.3V，比較器供電負電壓VL取0V；設(shè)定門限電壓Vil和Vih分別為2.97V 和3.25V，回差電壓ΔV 為0.28V。將以上參數(shù)值代入公式(1)(2)(3)，計算得到圖1(b)中電阻R1、R2、R3和R8的阻值分別為1kΩ、1kΩ、20kΩ 和3.74kΩ。為了驗證本文提出的低成本、高可靠性硬件掉電保護電路設(shè)計方案的可行性，按照章節(jié)2設(shè)計的參數(shù)，搭建仿真模型。

仿真波形如圖2所示，圖2(a)為存儲器件寫保護管腳WP#僅由供電電源VCC 檢測結(jié)果控制的波形，可以看到VCC 上電時電壓達到約3.25V 后WP#信號翻轉(zhuǎn)為高電平，存儲器件可以進行寫操作；當(dāng)VCC 掉電時只要檢測到電壓低于正常值（2.95V）就會拉低WP#，存儲器件無法進行寫操作；圖2(b)為存儲器件寫保護管腳WP#由欠壓信號、復(fù)位信號和故障信號同時控制的波形，可以看到只有3個控制信號都是高電平正常狀態(tài)時WP#才翻轉(zhuǎn)為高電平，可以進行寫操作；當(dāng)有一個控制信號為低電平異常狀態(tài)時，WP#立刻翻轉(zhuǎn)為低電平，存儲器件無法進行寫操作。仿真結(jié)果證明了本文所提硬件掉電保護電路的可行性。

圖2 仿真結(jié)果

3 結(jié)論

所提的低成本、高可靠性的硬件掉電保護電路可以設(shè)定欠壓點和保護回差值，并在檢測到欠壓故障或者其他需要動作的異常時，控制WP#管腳禁止寫操作，保證存儲芯片內(nèi)數(shù)據(jù)不被改寫或誤擦除，可以有效解決繼電保護設(shè)備掉電后無法啟動問題；所提的低成本、高可靠性的硬件掉電保護電路可以應(yīng)用于各類存儲芯片掉電保護，在電力裝置、通信設(shè)備和工業(yè)控制設(shè)備等領(lǐng)域有一定借鑒意義。