單片機(jī)復(fù)位電路的可靠性設(shè)計(jì)及精典實(shí)用復(fù)位電路

一、概述

影響單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)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(chǎng)的形式傳遞 在機(jī)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(guò)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(guò)電源線或電源內(nèi)的部件耦合或直接傳導(dǎo)，可通過(guò)電源濾波、隔離等措施來(lái)衰減該類干擾 。

2、內(nèi)因

振蕩源的穩(wěn)定性，主要由起振時(shí)間 頻率穩(wěn)定度和占空比穩(wěn)定度決定 起振時(shí)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(jì)

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(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。為可靠起見(jiàn)，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開(kāi)

關(guān)或電源插頭分-合過(guò)程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。圖1所示的RC復(fù)位電路可以實(shí)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(diǎn))和電源緩慢下降(電池電壓不足)等問(wèn)題 而且調(diào)整 RC 常數(shù)改變延時(shí)會(huì)令驅(qū)動(dòng)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(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān) Ch可避免高頻諧波對(duì)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(shí)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(gè)實(shí)例 當(dāng) VCC x (R1/(R1+R2) ) =

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

影響是該電路的突出缺點(diǎn)，使用穩(wěn)壓二極管可使 Vt 基本不受VCC影響。見(jiàn)圖5，當(dāng)VCC低于Vt(Vz+0.7V)時(shí)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(mén)檻電壓

 

圖6 實(shí)用的復(fù)位監(jiān)控電路

在此基礎(chǔ)上,增加延時(shí)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(shí)時(shí)間,調(diào)節(jié)R1可調(diào)整負(fù)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(duì)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(shí)能正確地啟動(dòng)系統(tǒng);

掉電復(fù)位，當(dāng)電源失效或電壓降到某一電壓值以下時(shí)，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(mén)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(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位 無(wú)需該功能時(shí)可把Reset端(或/Reset)端

直接與單片機(jī)的RST端(或/RST端)相連 最大限度地簡(jiǎn)化外圍電路 也可選擇PHILIPS半導(dǎo)體公司帶手動(dòng)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(gè)電源信號(hào)，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(shí)到復(fù)位前執(zhí)行某些安全操作，保存參數(shù)，發(fā)

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

再配合保存多個(gè)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(wèn)題使用該電路必須選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)警電壓點(diǎn)，以保證靠電源的儲(chǔ)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(shí)間(tB)必須足夠長(zhǎng) E2PROM的寫(xiě)周期約為10-20ms

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

此時(shí)可檢測(cè)/PFO來(lái)確認(rèn)內(nèi)部的電壓比較器是否動(dòng)作，調(diào)整時(shí)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(hù)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(cè)控，供電電壓出現(xiàn)異常時(shí)提供預(yù)警指示或中斷請(qǐng)求信號(hào)，方便系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)異常處理;

數(shù)據(jù)保護(hù)，當(dāng)電源或系統(tǒng)工作異常時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的保護(hù)，如寫(xiě)保護(hù)、數(shù)據(jù)備份或切換后備電池;

看門(mén)狗定時(shí)器，當(dāng)系統(tǒng)程序“跑飛”或“死鎖”時(shí)，復(fù)位系統(tǒng);

其它的功能，如溫度測(cè)控、短路測(cè)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(gè)集成了開(kāi)門(mén)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(shí)真正實(shí)現(xiàn)零功耗)而且清看門(mén)狗是通過(guò)改變SDA的電平實(shí)現(xiàn)的，節(jié)省系統(tǒng)I/O

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

使用時(shí)注意的是 RST，/RST 引腳是 I/O 腳，CAT1161 檢測(cè)到兩引腳中任何一個(gè)電壓異常都會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，與 RST /RST

引腳相連的下拉電阻 R2 和上拉電阻 R1 必須同時(shí)連接，否則CAT1161將不斷產(chǎn)生復(fù)位!同樣不需要手動(dòng)復(fù)位功能時(shí)可節(jié)省Rm和Sm兩個(gè)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(jì)用在電源電壓降低或斷電時(shí)作保護(hù)微電腦系統(tǒng)中SRAM 的數(shù)據(jù)。當(dāng)電源電壓下降到通常值

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

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

3.3V或更低時(shí)，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(dāng)主電源恢復(fù)正常(電壓上升至3.3V或更高時(shí))將SRAM的

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

的操作，復(fù)位信號(hào)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(shí)候，這個(gè)器件能可靠地保護(hù)系統(tǒng)在SRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)。

 

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

4. ARM 單片機(jī)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)

無(wú)論在移動(dòng)電話 高端手持儀器還是嵌入式系統(tǒng)，32

位單片機(jī) ARM 占據(jù)越來(lái)越多的份額，ARM 已成為事實(shí)的高端產(chǎn)品工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。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(duì)數(shù)字電路極限的挑戰(zhàn)，對(duì)電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時(shí)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(shí)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(duì)不同元件影響不一致

較大板面積，過(guò)多過(guò)長(zhǎng)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(wèn)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(shí)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(yàn)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(wèn)題。ARM的應(yīng)用工程師，切記少走彎路!

 

圖13. 用PHILIPS MAX708實(shí)現(xiàn)的ARM復(fù)位電路

圖13 是實(shí)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(hào)是給 JTAG 接口用的。使用 HC125 可實(shí)現(xiàn)多種復(fù)位源對(duì) ARM 復(fù)位，如通過(guò)PC機(jī)串口或JTAG接口復(fù)位ARM。