監(jiān)控芯片因電源問(wèn)題引起異常復(fù)位的處理辦法
在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,對(duì)系統(tǒng)的EMI、信號(hào)完整性、時(shí)序設(shè)計(jì)都能引起足夠的重視;但對(duì)于電源完整性引起的地彈和電源反彈的問(wèn)題,很多設(shè)計(jì)者還是認(rèn)識(shí)得不清晰。在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,有時(shí)由于芯片自身缺陷或芯片之間接口驅(qū)動(dòng)配合不當(dāng)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(guò)對(duì)微處理器監(jiān)控芯片 MAX818在使用中出現(xiàn) 異常復(fù)位 的實(shí)例分析,說(shuō)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(mén)狗功能。電源低壓監(jiān)視是當(dāng)系統(tǒng)電壓低于芯片設(shè)定電壓時(shí),MAX818發(fā)出復(fù)位信號(hào)。電池管理是當(dāng)VCC高于電池VBATT時(shí),OUT切換到VCC,電池處于浮充狀態(tài);當(dāng)VCC低于VBATT時(shí),OUT切換到VBATT,由電池供電。RAM片選鎖定用于上電或掉電時(shí)保護(hù)RAM中的數(shù)據(jù)不丟失且正確讀寫(xiě)。微處理器硬件看門(mén)狗的作用是當(dāng)程序跑飛,喂狗信號(hào)WDI得不到服務(wù)時(shí),芯片發(fā)出復(fù)位信號(hào),復(fù)位系統(tǒng)。WDI信號(hào)懸空時(shí),MAX818自動(dòng)發(fā)出復(fù)位信號(hào)的功能禁止。
系統(tǒng)RAM片選信號(hào)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(fù)位現(xiàn)象及分析解決
在單片機(jī)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中,將監(jiān)控芯片MAX818的看門(mén)狗清除引腳WDI懸空,使MAX818的復(fù)位功能禁止,且程序處于仿真狀態(tài),這時(shí)系統(tǒng)軟硬件一切功能正常。仿真調(diào)試完畢,將程序?qū)懭隖lash中讓其運(yùn)行,系統(tǒng)總是不停地復(fù)位、重啟。MAX818的復(fù)位腳不停地發(fā)出復(fù)位信號(hào),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(xiě)入Flash,系統(tǒng)正常。分析認(rèn)為是MAX818自己在發(fā)出復(fù)位信號(hào)。理論上能引起MAX818復(fù)位的原因有以下2點(diǎn):
①超過(guò)1.6s,MAX818引腳(6)WDI沒(méi)有喂狗信號(hào),能引起復(fù)位;
②系統(tǒng)電源低于MAX818電源電壓設(shè)定值4.65V,能引起復(fù)位。
通過(guò)仿真監(jiān)測(cè)CPU問(wèn)隔ls清狗一次;測(cè)量系統(tǒng)電源電壓VCC=5.08V。說(shuō)明不是上面兩條原因引起的復(fù)位,而是有別的什么原因引起異常復(fù)位。下面分析引起復(fù)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(guò)電阻分壓后輸入比較器的正端(十),比較器的負(fù)端(一)接內(nèi)部基準(zhǔn)1.25V。當(dāng)比較器的+端電壓低于1.25V時(shí),比較器輸出換轉(zhuǎn)。一邊使RESET輸出低電平復(fù)位系統(tǒng),同時(shí)將OUT切換到BATT電池。推測(cè)認(rèn)為,是芯片的CEI和CEO引腳狀態(tài)快速切換引起芯片內(nèi)部局部電源電壓下降,經(jīng)內(nèi)部分壓后低于l.25V電源監(jiān)視功能起的作用,發(fā)出復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)不停復(fù)位。根據(jù)推測(cè),為使MAX818電源監(jiān)視不異常復(fù)位,必須使芯片內(nèi)部比較器的+端電壓高于1.25V。為驗(yàn)證推測(cè),將芯片電源VCC電壓提高到5.3 V以上,這時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始正常工作。
將芯片電源VCC恢復(fù)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(shí)系統(tǒng)也能正常工作。
3 引起電源完整性原因
①在數(shù)字電路中,當(dāng)器件處于上升/下降沿很陡的截止和導(dǎo)通轉(zhuǎn)換的過(guò)程時(shí),會(huì)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(guò)L將引起地電位的波動(dòng)和電源電壓的波動(dòng),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(dòng),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(hào)上升時(shí)間間隔內(nèi)電流的變化;出表示電流的傳輸時(shí)間(信號(hào)的上升時(shí)間)。
芯片的內(nèi)部電源引線、地線引線或印制板的布線問(wèn)題,一般容易引起電源完整性問(wèn)題。
?、诓煌酒慕涌隍?qū)動(dòng)類型不當(dāng)也能引起電源完整性問(wèn)題。例如,用輸出小電流的I/O引腳去驅(qū)動(dòng)需要大驅(qū)動(dòng)電流的引腳,容易導(dǎo)致輸出電流的芯片局部電源電壓波動(dòng),引起系統(tǒng)工作不正常。
結(jié)語(yǔ)
通過(guò)一個(gè)具體實(shí)例論述電源完整性問(wèn)題,說(shuō)明單片機(jī)系統(tǒng)中,許多認(rèn)為莫名其妙的現(xiàn)象很多時(shí)候是由于電源完整性余量不夠引起的。在加強(qiáng)系統(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)和時(shí)序設(shè)計(jì)的同時(shí),還要對(duì)電源完整性給予足夠的關(guān)注。