单片机烧坏电机启动时单片机死机故障的分析|设计与开发|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

电机启动时单片机死机故障的分析

几天前，一个朋友碰到了一个棘手的技术问题，找到了我。

朋友应其客户要求找人设计了一款用于控制显示屏上下位置的装置，功能比较简单：

根据按键操作或者是蓝牙命令调节电脑显示屏的上下位置；

这样做好了，客户不远万里来到工厂一起调试样机。

在关键节骨眼上，样品掉了链子：只要一启动电机，单片机就死机重启。

反复测试和调整，始终无法解决问题。

无奈之下，找到了我这个有几十年工作经验的工程师。

我让朋友把电路图和PCB发给了我，如下图：

电路原理图

PCB

线性变压器将220VAC转为12VAC之后，经过桥式整流由电容滤成脉动直流由稳压成直流5.0V给控制电路供电；

12VAC还给电机供电。

单片机通过继电器控制电机运行；

该电路图和PCB有以下几点值得重点关注；

1) 桥式整流后级的储能电容是1个100uF/50V的电解电容；

2) RS485的A+，B-输出没有任何保护；

3) 给电机供电的导线，从top layer到bottom layer的连接，仅用两个0.3mm/0.8mm的过孔；

单片机死机重启，比较有可能有以下两个原因：

1) 电源跌落，电机运行瞬间，电机的磁场还没有建立，电机的阻抗为导线的直流等效电阻，此时的电流非常大，高达正常工作电流的近十倍。

由线性变压器供电的储能电容仅为100uF，是远远不够的，根据本人多年的经验，线性变压器共电的储能电容至少应该为几千uF。一般多用4700uF或者6800uF。

由二极管整流桥整成的直流为频率为50Hz的脉动直流，而不是一条恒定的直线。

根据I=Cdu/dt，我们可以根据负载电流大概估算出所需储能电容的大小。

电机启动瞬间的瞬态过程中，启动电流非常大，线性变压的输出可能被拉低，没有办法给+5V的稳压电路供电；

此时，由储能电容向控制电路供电，两个继电器线圈电流为100mA，启动时间如果为100ms，如果此时允许2v的电压跌落；

电容C=100mA*100ms/2=10000uF。

2) 干扰信号耦合到复位脚导致复位，电机启动瞬间，电流变化非常大。

其产生的变化磁场也非常大，如果复位脚的导线因为这个变化的磁场感应出干扰电压，也有可能导致复位。

从PCB板上来看，电机控制线离单片机还有几十cm的距离，而且PCB的走线也没有看出形成环路。

应该不至于有那么大的干扰导致复位。

综合以上两点考虑，我立即让朋友找客户做了以下事情：

1) 用示波器测试桥式整流之后的电压波形，其不是一条恒定直流，而是一条波动的线，在的果然在电机启动时，电压发生了跌落；

2）将100uF/50V的电容改成4700uF/50V的电容，故障消失，电机启动时，单片机不再死机；

至此，问题顺利解决，最后我让朋友对该电路图以及PCB进一步做了下述改进：

1)大电流的导线不能只用两个过孔来做层间连接，过孔的载流能力很差，印象中过孔的铜箔厚度仅为0.5OZ，仅为17um，大电流时，直接就烧毁断路了。

2)RS485的输出脚A+， B-需要加TVS进行保护；

3)为了降低干扰，可以在电机控制输出端加上TVS吸引高压的反向电动势。

4)可以考虑在电机控制输出端加上自恢复保险丝PTC，做输出短路保护，避免输出短路时烧断铜箔。

MCU单片机死机或控制失效后，如何有效保护负载的电路

玩单片机的都可能遇到过因外部干扰或因软件BUG导致死机，这对于有功率负载的电路是极为不利的。现在MCU都有了WDT看门狗，当计数溢出就强制进行复位。但如果单片机因某种原因（如静电、浪涌等击穿）直接导致损坏，使其输入输出状态无法控制，且无法预料时，可能会造成不良后果甚至人身安全。如电机控制、逆变器等，当异常发生MCU输出端一直输出固定电平（这里假设高电平驱动）会导致线圈进入饱和，产生大电流发热烧毁线圈甚至是起火引发一系列不可预料后果。那如何去有效避免这类问题的发生呢？

电机/逆变驱动，任一MOS持续导通都会导致线圈饱和大电流发热

首先，最大的问题是单片机失效后，IO端口状态无法预料，只能切断负载供电，所以只要能检测到MCU是否正常工作，然后去控制负载供电开关就可以避免上述问题了。顺着这个思路，我们可以让单片机一个IO口一直输出50%占空比PWM信号，用一个电容进行隔离，当正常工作时PWM信号可以通过电容，经过整流滤波驱动MOS管导通，当死机后就没有PWM信号输出了，此时不管IO口是持续的高还是低电平，经过电容后级都没有电压了，此时MOS管截止负载供电被关断，这样就有效保护了负载。

最后结合上图重新梳理一遍保护过程。当单片机正常运行时IO1持续输出PWM信号，整流滤波后推动后级MOS管导通，提供负载供电；当单片机死机或失效后，就没有PWM信号输出，无论输出是持续的高或低电平，都没有整流电压推动后级MOS开关管，此时MOS管截止，负载断电！本电路重点运用了电容的隔直流特性，既能让连续变化的PWM耦合通过，又可以阻止直流电压通过，从而有效检测MCU是否异常，同时控制负载供电开关。希望可以抛砖引玉，欢迎大家举一反三，提供宝贵建议共同学习。

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