單片機復(fù)位電路的可靠性設(shè)計及精典實用復(fù)位電路

一、概述

影響單片機系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的因素可大體分為外因和內(nèi)因兩部分:

1、外因

射頻干擾，它是以空間電磁場的形式傳遞 在機器內(nèi)部的導(dǎo)體(引線或零件引腳)感生出相應(yīng)的干擾，可通過電磁屏蔽和合理的布線/器件布局衰減該類干擾;

電源線或電源內(nèi)部產(chǎn)生的干擾，它是通過電源線或電源內(nèi)的部件耦合或直接傳導(dǎo)，可通過電源濾波、隔離等措施來衰減該類干擾 。

2、內(nèi)因

振蕩源的穩(wěn)定性，主要由起振時間 頻率穩(wěn)定度和占空比穩(wěn)定度決定 起振時間可由電路參數(shù)整定 穩(wěn)定度受振蕩器類型 溫度和電壓等參數(shù)影響復(fù)位電路的可靠性。

二、復(fù)位電路的可靠性設(shè)計

1、基本復(fù)位電路

復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號，以防電源開

關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。圖1所示的RC復(fù)位電路可以實現(xiàn)上述基本功能，圖3為其輸入-輸出特性。但解決不了電源毛刺(A

點)和電源緩慢下降(電池電壓不足)等問題 而且調(diào)整 RC 常數(shù)改變延時會令驅(qū)動能力變差。左邊的電路為高電平復(fù)位有效 右邊為低電平

Sm為手動復(fù)位開關(guān) Ch可避免高頻諧波對電路的干擾

 

圖1 RC復(fù)位電路

圖2所示的復(fù)位電路增加了二極管，在電源電壓瞬間下降時使電容迅速放電，一定寬度的電源毛刺也可令系統(tǒng)可靠復(fù)位。 圖3所示復(fù)位電路輸入輸出特性圖的下半部分是其特性，可與上半部比較增加放電回路的效果

 

圖2 增加放電回路的RC復(fù)位電路

使

用比較電路，不但可以解決電源毛刺造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，而且電源緩慢下降也能可靠復(fù)位。圖4 是一個實例 當 VCC x (R1/(R1+R2) ) =

0.7V時，Q1截止使系統(tǒng)復(fù)位。Q1的放大作用也能改善電路的負載特性，但跳變門檻電壓 Vt 受 VCC

影響是該電路的突出缺點，使用穩(wěn)壓二極管可使 Vt 基本不受VCC影響。見圖5，當VCC低于Vt(Vz+0.7V)時電路令系統(tǒng)復(fù)位。

 

圖3 RC復(fù)位電路輸入-輸出特性

 

圖4 帶電壓監(jiān)控功能的復(fù)位電路

 

圖5 穩(wěn)定門檻電壓

 

圖6 實用的復(fù)位監(jiān)控電路

在此基礎(chǔ)上,增加延時電容和放電二極管構(gòu)成性能優(yōu)良的復(fù)位電路,如圖6所示。調(diào)節(jié)C1可調(diào)整延時時間,調(diào)節(jié)R1可調(diào)整負載特性,如圖7所示上半部分是圖5電路的特性,下半部分對應(yīng)圖6。

 

圖7 帶電壓監(jiān)控功能的復(fù)位電路的輸入-輸出特性

2、電源監(jiān)控電路

上述的帶電壓監(jiān)控的復(fù)位電路又叫電源監(jiān)控電路 監(jiān)控電路必須具備如下功能：

上電復(fù)位，保障上電時能正確地啟動系統(tǒng);

掉電復(fù)位，當電源失效或電壓降到某一電壓值以下時，復(fù)位系統(tǒng);

市面上有類似的集成產(chǎn)品，如PHILIPS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MAX809、MAX810。此類產(chǎn)品體積小、功耗低，而且可選門檻電壓?？杀Ｕ舷到y(tǒng)在不同的

異常條件下可靠地復(fù)位，防止系統(tǒng)失控。圖8中的Rm和Sm實現(xiàn)手動復(fù)位 無需該功能時可把Reset端(或/Reset)端

直接與單片機的RST端(或/RST端)相連 最大限度地簡化外圍電路 也可選擇PHILIPS半導(dǎo)體公司帶手動復(fù)位功能的產(chǎn)品MAX708。

 

圖8 集成復(fù)位監(jiān)控電路

此外，MAX708還可以監(jiān)視第二個電源信號，為處理器提供電壓跌落的預(yù)警功能，利用此功能，系統(tǒng)可在電源跌落時到復(fù)位前執(zhí)行某些安全操作，保存參數(shù)，發(fā)

送警報信號或切換后備電池等。圖9電表的應(yīng)用實例 利用MAX708 電表可在電源毛刺或停電前把當前電度數(shù)保存到E2PROM中

再配合保存多個電度數(shù)備份算法，可有效解決令工程師頭疼E2PROM中的電度數(shù)掉失問題使用該電路必須選擇適當?shù)念A(yù)警電壓點，以保證靠電源的儲能供電情況

下，VCC電壓從預(yù)警電壓跌到復(fù)位電壓的維持時間(tB)必須足夠長 E2PROM的寫周期約為10-20ms

一般取tB>200ms就可確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定寫入。預(yù)警電壓調(diào)整方法 當VDC等于預(yù)警電壓時調(diào)整R1和R2使PFI的電壓為1.25V

此時可檢測/PFO來確認內(nèi)部的電壓比較器是否動作，調(diào)整時必須注意此比較器是窗口比較器。 圖10是該應(yīng)用的程序流程圖

 

圖9 MAX708的典型應(yīng)用

 

圖10. 電表應(yīng)用中E2PROM數(shù)據(jù)保護程序流程圖

3. 多功能電源監(jiān)控電路

除上電復(fù)位和掉電復(fù)位外，很多監(jiān)控電路集成了系統(tǒng)所需的功能，如：

電源測控，供電電壓出現(xiàn)異常時提供預(yù)警指示或中斷請求信號，方便系統(tǒng)實現(xiàn)異常處理;

數(shù)據(jù)保護，當電源或系統(tǒng)工作異常時，對數(shù)據(jù)進行必要的保護，如寫保護、數(shù)據(jù)備份或切換后備電池;

看門狗定時器，當系統(tǒng)程序“跑飛”或“死鎖”時，復(fù)位系統(tǒng);

其它的功能，如溫度測控、短路測試等等。

我們把其稱作多功能電源監(jiān)控電路。下面介紹兩款特別適合在工控、安防、金融行業(yè)中廣泛應(yīng)用多功能的監(jiān)控電路 :

Catalyst 公司的 CAT1161 是一個集成了開門狗、電壓監(jiān)控和復(fù)位電路的 16K 位 E2PROM(I2C

接口)不但集成度高、功耗低(E2PROM部分靜態(tài)時真正實現(xiàn)零功耗)而且清看門狗是通過改變SDA的電平實現(xiàn)的，節(jié)省系統(tǒng)I/O

資源，其門檻電壓可通過編程器修改，該修改范圍覆蓋絕大多數(shù)應(yīng)用。當電源下降到門檻電壓以下時 硬件禁止訪問 E2PROM 確保數(shù)據(jù)安全。

使用時注意的是 RST，/RST 引腳是 I/O 腳，CAT1161 檢測到兩引腳中任何一個電壓異常都會產(chǎn)生復(fù)位信號，與 RST /RST

引腳相連的下拉電阻 R2 和上拉電阻 R1 必須同時連接，否則CAT1161將不斷產(chǎn)生復(fù)位!同樣不需要手動復(fù)位功能時可節(jié)省Rm和Sm兩個元件。

 

圖11. 內(nèi)置WDT RESET /RESET E PROM監(jiān)控器件接口電路

PHILIPS 公司的 SA56600-42 被設(shè)計用在電源電壓降低或斷電時作保護微電腦系統(tǒng)中SRAM 的數(shù)據(jù)。當電源電壓下降到通常值

4.2V 時，輸出 CS 變?yōu)檫壿嫷碗娖?，?CE 也拉低，從而禁止對 SRAM

的操作。同時，產(chǎn)生一個低電平有效的復(fù)位信號，供系統(tǒng)使用，如果電源電壓繼續(xù)下降，到達通常值

3.3V或更低時，SA56600-42切換系統(tǒng)操作，從主電源供電切換到后備鋰電池供電，當主電源恢復(fù)正常(電壓上升至3.3V或更高時)將SRAM的

供電電源將由后備鋰電池切換回主電源，當主電源上升至大于典型值4.2V 時 輸出 CS 變?yōu)檫壿嫺唠娖剑?CE 變?yōu)楦唠娖?，使?SRAM

的操作，復(fù)位信號一直持續(xù)到系統(tǒng)恢復(fù)正常操作為止。在系統(tǒng)電源電壓不足或突然斷電的時候，這個器件能可靠地保護系統(tǒng)在SRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)。

 

圖12. 內(nèi)置SRAM數(shù)據(jù)保護電路的監(jiān)控器件SA56600-42的典型應(yīng)用

4. ARM 單片機的復(fù)位電路設(shè)計

無論在移動電話 高端手持儀器還是嵌入式系統(tǒng)，32

位單片機 ARM 占據(jù)越來越多的份額，ARM 已成為事實的高端產(chǎn)品工業(yè)標準。由于 ARM 高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低

這是對數(shù)字電路極限的挑戰(zhàn)，對電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時鐘源的穩(wěn)定度、電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求。ARM監(jiān)控技術(shù)是復(fù)雜并且非常重

要的。

分立元件實現(xiàn)的監(jiān)控電路，受溫度、濕度、壓力等外界的影響大而且對不同元件影響不一致

較大板面積，過多過長的引腳容易引入射頻干擾，功耗大也是很多應(yīng)用難以接受，而集成電路能很好的解決此類問題。目前也有不少微處理器中集成監(jiān)控電路，處于

制造成本和工藝技術(shù)原因，此類監(jiān)控電路大多數(shù)是用低電壓CMOS工藝實現(xiàn)的，比起用高電壓、高線性度的雙極工藝制造的專用監(jiān)控電路 性能還有一段差距。

結(jié)論是：使用 ARM而不用專用監(jiān)控電路，可能導(dǎo)致得不償失，經(jīng)驗也告訴我們使用專用監(jiān)控電路可以避免很多離奇古怪的問題。ARM的應(yīng)用工程師，切記少走彎路!

 

圖13. 用PHILIPS MAX708實現(xiàn)的ARM復(fù)位電路

圖13 是實用可靠的 ARM 復(fù)位電路。ARM 內(nèi)核的工作電壓較低。R1 可保證電壓低于 MAX708 的工作電源還能可靠復(fù)位。其中 TRST

信號是給 JTAG 接口用的。使用 HC125 可實現(xiàn)多種復(fù)位源對 ARM 復(fù)位，如通過PC機串口或JTAG接口復(fù)位ARM。