在單片機系統(tǒng)設計中，對系統(tǒng)的EMI、信號完整性、時序設計都能引起足夠的重視；但對于電源完整性引起的地彈和電源反彈的問題，很多設計者還是認識得不清晰。在單片機系統(tǒng)設計中，有時由于芯片自身缺陷或芯片之間接口驅動配合不當引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至不能工作的情況非常多。下面通過對微處理器監(jiān)控芯片 MAX818在使用中出現(xiàn) 異常復位 的實例分析，說明由于電源完整性引起的系統(tǒng)工作不穩(wěn)定現(xiàn)象。
1 系統(tǒng)描述
圖1為μP監(jiān)控電路。監(jiān)控芯片MAX818具有電源低壓監(jiān)視、電池管理、RAM片選鎖定及微處理器硬件看門狗功能。電源低壓監(jiān)視是當系統(tǒng)電壓低于芯片設定電壓時，MAX818發(fā)出復位信號。電池管理是當VCC高于電池VBATT時，OUT切換到VCC，電池處于浮充狀態(tài)；當VCC低于VBATT時，OUT切換到VBATT，由電池供電。RAM片選鎖定用于上電或掉電時保護RAM中的數(shù)據(jù)不丟失且正確讀寫。微處理器硬件看門狗的作用是當程序跑飛，喂狗信號WDI得不到服務時，芯片發(fā)出復位信號，復位系統(tǒng)。WDI信號懸空時，MAX818自動發(fā)出復位信號的功能禁止。
系統(tǒng)RAM片選信號由CPU的地址線，控制線經(jīng)
EPLD譯碼后輸出接到MAX818的CEIN，經(jīng)MAX818輸出腳CEOUT接到RAM片選CE上。RAM的供電電源由MAX818的OUT輸出引腳提供。
2 系統(tǒng)異常復位現(xiàn)象及分析解決
在單片機系統(tǒng)調試過程中，將監(jiān)控芯片MAX818的看門狗清除引腳WDI懸空，使MAX818的復位功能禁止，且程序處于仿真狀態(tài)，這時系統(tǒng)軟硬件一切功能正常。仿真調試完畢，將程序寫入Flash中讓其運行，系統(tǒng)總是不停地復位、重啟。MAX818的復位腳不停地發(fā)出復位信號，用示波器觀察的波形如圖2所示。
將WDI懸空重新仿真，系統(tǒng)正常；將WDI懸空，寫入Flash，系統(tǒng)正常。分析認為是MAX818自己在發(fā)出復位信號。理論上能引起MAX818復位的原因有以下2點：
?、俪^1．6s，MAX818引腳(6)WDI沒有喂狗信號，能引起復位；
?、谙到y(tǒng)電源低于MAX818電源電壓設定值4．65V，能引起復位。
通過仿真監(jiān)測CPU問隔ls清狗一次；測量系統(tǒng)電源電壓VCC=5．08V。說明不是上面兩條原因引起的復位，而是有別的什么原因引起異常復位。下面分析引起復位的原因：
芯片電源監(jiān)視原理如圖3所示。電源監(jiān)視原理為系統(tǒng)VCC通過電阻分壓后輸入比較器的正端(十)，比較器的負端(一)接內部基準1．25V。當比較器的+端電壓低于1．25V時，比較器輸出換轉。一邊使RESET輸出低電平復位系統(tǒng)，同時將OUT切換到BATT電池。推測認為，是芯片的CEI和CEO引腳狀態(tài)快速切換引起芯片內部局部電源電壓下降，經(jīng)內部分壓后低于l.25V電源監(jiān)視功能起的作用，發(fā)出復位信號使系統(tǒng)不停復位。根據(jù)推測，為使MAX818電源監(jiān)視不異常復位，必須使芯片內部比較器的+端電壓高于1．25V。為驗證推測，將芯片電源VCC電壓提高到5．3 V以上，這時系統(tǒng)開始正常工作。
將芯片電源VCC恢復到正常5．08 V，在MAX818的CEI輸入引腳串入500Ω電阻，以降低CEI和CEO引腳狀態(tài)切換速率，這時系統(tǒng)也能正常工作。
3 引起電源完整性原因
?、僭跀?shù)字電路中，當器件處于上升／下降沿很陡的截止和導通轉換的過程時，會產(chǎn)生很大的瞬間變化的電流△I。由于電源線和地線都存在引線電感L，△I通過L將引起地電位的波動和電源電壓的波動，從而引起噪聲，所以也稱為△i噪聲。如果是由于封裝電感而引起地平面的波動，造成芯片地和系統(tǒng)地不一致，這種現(xiàn)象就稱為“地彈(ground bounce)”；同樣，如果是由于封裝電感引起的芯片和系統(tǒng)電源差異，就稱為“電源反彈(power bounce)”。電壓的瞬變由下面的公式定義：
V=L·di／dt
其中：L是電流傳輸路徑上電感的值；出表示信號上升時間間隔內電流的變化；出表示電流的傳輸時間(信號的上升時間)。
芯片的內部電源引線、地線引線或印制板的布線問題，一般容易引起電源完整性問題。
?、诓煌酒慕涌隍寗宇愋筒划斠材芤痣娫赐暾詥栴}。例如，用輸出小電流的I／O引腳去驅動需要大驅動電流的引腳，容易導致輸出電流的芯片局部電源電壓波動，引起系統(tǒng)工作不正常。
結語
通過一個具體實例論述電源完整性問題，說明單片機系統(tǒng)中，許多認為莫名其妙的現(xiàn)象很多時候是由于電源完整性余量不夠引起的。在加強系統(tǒng)的EMC設計和時序設計的同時，還要對電源完整性給予足夠的關注。
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