上電復(fù)位與相關(guān)監(jiān)控功能

上電復(fù)位(POR)的任務(wù)之一是確保電源剛被打開時，處理器從一個已知的地址開始運行。為此，POR邏輯輸出在處理器電源剛被打開時將處理器鎖定在復(fù)位態(tài)。POR的第二個任務(wù)是，在以下三件事情完成以前，阻止處理器從已知地址開始運行：系統(tǒng)電源已穩(wěn)定在適當(dāng)?shù)乃?；處理器的時鐘已經(jīng)建立；以及內(nèi)部寄存器已經(jīng)正確裝載。POR完成這第二個任務(wù)的手段是片上定時器，它繼續(xù)在一個預(yù)定的時間間隔內(nèi)保持處理器處于復(fù)位態(tài)。這個定時器在處理器電源到達規(guī)定的電壓門限后觸發(fā)，設(shè)定時間走完后，定時器終止，并促使POR輸出變?yōu)闊o效，處理器脫離復(fù)位態(tài)并開始運行(圖1)。處理器的數(shù)據(jù)手冊會給出所需要的定時器延遲間隔。順便提一下，這個定時器正是POR和一般電壓監(jiān)測器的區(qū)別所在，后者也能以一定的電壓門限監(jiān)視電壓，但不具備定時功能。

圖1. POR保持處理器處于復(fù)位狀態(tài)，直到電源電壓超過POR門限，并且經(jīng)過了一個規(guī)定延時。

POR良好的抗噪聲干擾能力在監(jiān)視處理器時也是必需的，這也是它和電壓監(jiān)視器的不同之處。當(dāng)有一個小而快的干擾出現(xiàn)在電源上時POR不應(yīng)發(fā)出復(fù)位，因為這種干擾并不會影響處理器的工作。但是，比較長的小干擾和短的或長的大幅度干擾都會給處理器造成問題。因此，最好的方法是采用一種POR，它可以同時監(jiān)視進入電源電壓的干擾的幅度和持續(xù)時間，并以此來決定是否發(fā)出復(fù)位。最終目標(biāo)是真實反映處理器自身的行為，只在需要的時候發(fā)出復(fù)位，而在處理器正常工作的時候不應(yīng)該去復(fù)位它。圖2是一條摘自MAX6381/MAX6382數(shù)據(jù)手冊的曲線，它描述了能夠觸發(fā)復(fù)位的電源電壓上的干擾幅度/間隔。這條曲線說明，MAX6381/MAX6382在監(jiān)視到電源電壓低于規(guī)定門限100mV的持續(xù)時間至少到10ms才會觸發(fā)復(fù)位。

圖2. POR是否產(chǎn)生復(fù)位與干擾的幅度和持續(xù)時間有關(guān)。

一旦電源電壓回到門限以上，POR定時器只在一個預(yù)定的間隔之后才會撤消復(fù)位信號。

有些處理器提供雙向復(fù)位引腳―不僅可以通過該引腳接收復(fù)位信號，并且還可以通過它發(fā)送復(fù)位。粗看起來，一個具有開漏輸出的POR似乎可以滿足這種條件。然而，還有其他問題，因為處理器必須確定是它自己，還是外部器件發(fā)出的復(fù)位。有必要采用一個專為此條件配置的POR(參見MAX6314數(shù)據(jù)手冊)。

確定POR門限電壓―單電源處理器

如何確定正確的POR門限電平，以及對于該電平精度的要求，常常沒有被正確地認(rèn)識。為了使設(shè)計者對于這項任務(wù)的細(xì)節(jié)有一個更清晰的了解，我們以一個處理器為例來說明這個問題，假定該處理器保證正確工作于3.3V ±0.3V電源―更明確地講，也就是從3.00V到3.60V。在選擇電壓門限時，設(shè)計者應(yīng)遵循下面兩種策略之一。

策略之一是確保3.3V電源有足夠的準(zhǔn)確度，為此可以選擇一個POR，它的門限加容差完全位于±0.3V范圍以內(nèi)。在此情況下，POR門限位于電源范圍的低端(±3%)和處理器允許電壓范圍的低端之間(圖3a)?；诖瞬呗?，POR在電源電壓處于容差以內(nèi)的時候不會發(fā)出復(fù)位。但是，當(dāng)電源電壓跌落到容差以下，而仍然維持在處理器保證正確工作的范圍以內(nèi)時，POR就會發(fā)出復(fù)位信號。這樣可以確保在處理器發(fā)生錯誤操作之前(因電壓跌落到保證工作范圍以下)發(fā)出復(fù)位。

圖3. 當(dāng)電源電壓低于規(guī)定的電壓范圍而高于處理器的允許電壓范圍的底線時，為了確保處理器復(fù)位，可按圖3a選擇POR門限。然而，選擇一個門限電壓低于處理器允許范圍的POR (圖3b)，則只要電源電壓在此范圍內(nèi)就不會觸發(fā)復(fù)位，并允許采用一個更粗容差的電源。

根據(jù)這個策略，合適的POR選擇之一是MAX6381中的一個型號，這個型號在整個溫度范圍內(nèi)具有3.00V至3.15V的門限范圍(圖3a)。采用了這種POR，一旦電源跌落到其規(guī)定電壓范圍以下，處理器就會復(fù)位，而此時的電源尚未跌落到處理器的規(guī)定電壓范圍以下。另外，由于門限范圍的上限為3.15V，當(dāng)電源位于其允許范圍以內(nèi)時不會發(fā)生復(fù)位。然而，將電源接入處理器時，由于連接器和電路板走線上的電壓降，可能會使處理器上的電壓降到3.15V以下。這種情況下，盡管電源電壓仍在規(guī)定范圍以內(nèi)，復(fù)位仍有可能發(fā)生。這時，就有必要選用容差更小的電源或容差更小的POR門限，或兩者兼之。

這種設(shè)計方法對于電源上的干擾或噪聲更為敏感，因為電源電壓可能會非常接近于POR門限(取決于POR門限和電源電壓分別位于它們的容差范圍內(nèi)的位置)。因此，該方法適用于干擾和噪聲很小，且電源容差小的系統(tǒng)。

有些設(shè)計者在選擇POR門限時會采納第二種不同的策略。他們采用門限低于處理器保證工作電壓(本例中為3.00V)的POR。這就允許處理器工作于允許范圍以內(nèi)的任何電壓下，而不會遭遇復(fù)位。它還允許更寬松的電源容差。這些設(shè)計者輕松地假定，在上電期間，電源會連續(xù)地上升到POR門限以上，并穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)的電壓上(本例中為3.20V至3.40V)。并且預(yù)期這些會在POR定時器遠未計滿之前就早早發(fā)生。很多時候，設(shè)計者利用有些電源提供的power-OK信號來確定電源是否工作于規(guī)定范圍以內(nèi)。

這些設(shè)計者沒有考慮電網(wǎng)欠壓情況的影響。如果發(fā)生電網(wǎng)欠壓，處理器可能會工作在一個低于其最低保證工作電壓的電源下，但暫時仍然在POR門限以上(低于它POR就會發(fā)出復(fù)位)。當(dāng)在這樣的電源電壓范圍內(nèi)工作時，處理器可能會發(fā)生錯誤操作。

不同于在處理器允許的電源電壓范圍內(nèi)選擇的門限，第二種方法更適合于那些可能存在較大干擾和噪聲的系統(tǒng)。因為POR門限和電源電壓分開的比較遠。正如前面已提到的，這種方法也允許更寬的電源容差。MAX6381中整個溫度范圍內(nèi)門限范圍在2.85V至3.0V的型號可用于此種設(shè)計，因為門限低于處理器允許電壓范圍的底線(圖3b)。此時還可以使用一個比圖3中容差更寬的電源。

有時候，設(shè)計者會將電源的額定電壓設(shè)置在靠近處理器允許范圍的底線處，目的是降低功率消耗。這種做法很有效，因為功率消耗正比于電源電壓的平方。假定處理器允許電壓范圍為3.0V至3.6V，3.15V ±2%的電源是可取的，如果在連接電源到處理器的通路上，在連接器和導(dǎo)線上沒有顯著的電壓降的話。如果噪聲電平足夠低，不會引起錯誤觸發(fā)的話，門限電壓在2.85V至3.0V范圍的MAX6381 POR是一個合適的選擇。

確定POR門限電壓―雙電源處理器

除了3.3V電源，如果處理器還需要另一路電源(例如一個1.8V核電源)，這種設(shè)計可能就需要能夠監(jiān)視兩路電壓的POR了。這種類型的POR只有在兩路電源都超過了POR的兩個對應(yīng)的門限，并且規(guī)定的延時周期已經(jīng)過去以后才會撤消復(fù)位?？赏瑫r監(jiān)視兩路、三路和四路電壓的POR都可找到。

同樣的選擇方法適用于多電源或單電源的監(jiān)視。對于雙電源的情況(例如3.3V和1.8V)，設(shè)計者可以選擇POR的兩個門限都高于或低于處理器的最低保證工作電壓。同樣，設(shè)計者也可以使監(jiān)視3.3V I/O電源的門限低于保證工作電壓，而使用于1.8V核電源的另一個門限在保證工作電壓之上。很多設(shè)計者優(yōu)選后一種策略，因為很多時候處理器內(nèi)核比起I/O來，對于電源電壓低落所造成的問題更為敏感。

內(nèi)核電源電壓始終在隨著時間的推移而降低，因此降低POR門限電壓成為必須。MAX6736系列中的器件無需外接電阻可提供低至788mV的門限，加上外接電阻還可低至488mV。這種門限電壓足以監(jiān)視最先進的內(nèi)核電源。

對于低成本系統(tǒng)，很多電路設(shè)計者選擇只監(jiān)視3.3V電源，如果1.8V電源是由它得到的話。他們認(rèn)為如果3.3V電源到達正常電壓的話，1.8V電源也會。對于要求較高可靠性的系統(tǒng)，設(shè)計者通常是選擇監(jiān)視兩路電源。

手動復(fù)位

有時候，當(dāng)電源電壓仍在容差以內(nèi)，而用手動方式去觸發(fā)一次復(fù)位也很有用。這項功能不僅被用于調(diào)試和最終測試，當(dāng)處理器鎖定時這個功能也很有用―它使處理器重新啟動，而不必關(guān)掉電源。這種功能對于那些處理器永不掉電的產(chǎn)品尤其有用。它還被通用于那些不關(guān)掉處理器電源，只是喚醒/掛起處理器的on/off開關(guān)中。

盡管來自于I/O線的邏輯信號、看門狗定時器或電源失效輸出常被用于觸發(fā)手動復(fù)位，按鈕開關(guān)經(jīng)常也被用來觸發(fā)手動復(fù)位。被按下時，這種類型的開關(guān)通常會有反彈，打開、閉合很多次方可穩(wěn)定下來。所以，大多數(shù)手動復(fù)位輸入都包含有去抖動電路，對按鈕開關(guān)引起的振鈴不響應(yīng)。

分立的POR和處理器內(nèi)置的POR

使用由電阻和電容構(gòu)成的分立式POR (圖4a)是一種比較危險的做法。這種POR輸出緩慢的上升和下降時間會給許多處理器帶來問題―尤其是那些復(fù)位輸入中沒有包含施密特觸發(fā)器以及具有雙向復(fù)位引腳的處理器。增加一個施密特觸發(fā)器對于前一種情況有效，但也帶來了成本、空間和啟動問題。

圖4. 分立式R/C POR (圖4a)對于多數(shù)應(yīng)用來講沒有足夠的可靠性。有些情況下，增加一個二極管(圖4b)可糾正電源快速循環(huán)的問題，并改善電路性能。

沒當(dāng)電源上電時，如果上升時間相對于POR時間常數(shù)比較緩慢時，此時采用分立式POR會產(chǎn)生另一個問題。處理器可能會在電源沒有穩(wěn)定之前就脫離復(fù)位態(tài)。為防止出現(xiàn)這個問題，R/C電路的時間常數(shù)需要增加。另外，有些具有內(nèi)置POR的處理器制造商也建議，如果上電速度緩慢，要在復(fù)位輸入端增加一個R/C (再加一個二極管，如下所述)。

如果電源在上電后遭遇一次干擾，R/C電路會將這個干擾濾掉，這樣就阻止了復(fù)位的發(fā)生。而且，如果電源下跌，處理器復(fù)位引腳上的電壓仍會高于其VIH，使復(fù)位無法產(chǎn)生。這種情況甚至有可能發(fā)生在電源跌至處理器最低保證工作電壓以下的時候。這是因為復(fù)位引腳的VIH通常低于處理器的最低保證工作電壓。如果電源被關(guān)掉然后又迅速打開又會引發(fā)另外一個問題―再次上電之前電容器可能沒有足夠的時間放電。

增加一個二極管(圖4b)，R/C電路有可能響應(yīng)干擾，一旦有干擾出現(xiàn)，二極管會迅速對電容放電。干擾必須足夠大才可將復(fù)位引腳上的電壓拉低到VIL (最小)。此外，前面所提到的不含二極管R/C電路的問題仍會困擾該電路。不過，很多時候，二極管的確能夠解決電源迅速關(guān)斷-打開所產(chǎn)生的問題。

采用集成的POR在多數(shù)設(shè)備中能夠解決多數(shù)問題，這種器件不會產(chǎn)生前面所述的那些問題。

使用處理器集成的POR也會產(chǎn)生一些困難。這種POR經(jīng)常會遭遇精度差和較低電壓下出現(xiàn)的一些問題。而且，許多內(nèi)部POR被設(shè)定為只在上電時提供復(fù)位，而在電網(wǎng)欠壓期間，電源電壓的輕微跌落不會引發(fā)復(fù)位。有些制造商建議增加分立電路來適應(yīng)這種情況。

最后，對于內(nèi)部POR，在多組電源供電的系統(tǒng)中還會有另外的問題。例如，你可能會遭遇這樣的問題，內(nèi)部POR的延時適合于自身的處理器，但卻不能適應(yīng)上電更慢的外部電路(例如存儲器)。這種情況下，解決方案之一是，采用一個同時監(jiān)視處理器和外部電路電源，具有更長延遲時間的外部POR。

電源失效和欠壓信號

包含電源失效或欠壓信號的監(jiān)控電路可警告處理器，電網(wǎng)欠壓或電源失效即將發(fā)生。當(dāng)這些信號中的任意一個中斷處理器時，處理器進入一個掉電子程序。在這個子程序中，處理器中止當(dāng)前的活動，并在POR復(fù)位處理器之前備份重要的數(shù)據(jù)。

為產(chǎn)生電源失效信號，監(jiān)控器的電源失效比較器監(jiān)視未穩(wěn)壓的直流電壓(或某些上游的穩(wěn)定電壓)。這個電壓被送入調(diào)節(jié)器，并用來產(chǎn)生為處理器和監(jiān)控電路供電的電源。未穩(wěn)定電壓會在調(diào)節(jié)器輸出電壓之前跌落，因為調(diào)節(jié)器的輸出電容會維持其輸出電壓(圖5)。因此，未穩(wěn)定電壓的跌落預(yù)示著調(diào)節(jié)器電壓可能會發(fā)生跌落。檢測這個跌落并中斷處理器，使處理器在被復(fù)位之前進入掉電子程序，如果電源電壓的跌幅足夠大的話。

圖5. MAX6342內(nèi)的電源失效比較器通過監(jiān)視未穩(wěn)定直流電源的跌落，產(chǎn)生電源失效信號(PFO-bar)。

如果無法檢測未穩(wěn)定電壓(或一個上游的穩(wěn)定電壓)，處理器仍有可能收到一個電源即將失效的告警。提供欠壓信號輸出的監(jiān)控器可已提供這個信號，當(dāng)被監(jiān)視電源電壓跌落至某個略高于復(fù)位門限的電平時(例如高150mV)這個信號變?yōu)橛行АＲ虼?，欠壓信號可用來警告處理器，電源電壓將有可能跌落到使POR產(chǎn)生復(fù)位的電平。此時，和電源失效比較器發(fā)出信號時一樣，預(yù)見到POR將發(fā)出復(fù)位(由于電網(wǎng)欠壓或電源失效)，處理器備份重要數(shù)據(jù)。

電壓排序和電壓跟蹤

大多數(shù)雙電源供電的處理器在數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定了加電順序。有些器件象MAX6819/MAX6820能夠以正確的順序?qū)﹄娫催M行排序。如果處理器加電順序不正確，處理器可能會鎖定、錯誤地初始化或長期運行的可靠性下降。有時，多種不同的電源電壓并不是在本地產(chǎn)生(例如 ，它們可能來自于主系統(tǒng)總線，一個外購的模塊，或者一個不包含使能和power-OK引腳等便于排序的信號的電源)。這種情況下，上電和斷電順序?qū)㈦y于控制或預(yù)知，因此，有必要采用電壓排序IC。當(dāng)不同的阻性和容性負(fù)載影響到不同電源的開啟和關(guān)閉時間時，會使電源的上電和掉電順序無法預(yù)知，此時也有必要采用這種IC。

MAX6741/MAX6744提供了一種獨特的方法對兩組電源進行排序。這些器件的工作原理是，首先讓其中一路電源上電。然后，經(jīng)過一定延遲后，發(fā)出power-OK信號使第二組電源脫離關(guān)端模式并開始上電。兩組電源均完成上電并經(jīng)歷了另外一段時間延遲后，MAX6741/MAX6744撤銷復(fù)位信號。

有些處理器要求兩組電源在上電過程中彼此跟蹤。對于這種要求，MAX5039/MAX5040能夠?qū)山M電壓鉗制在一起，從而實現(xiàn)跟蹤，直到較低電壓的一組電源到達其最終電壓。在這一點，電壓較高的電源被釋放，并繼續(xù)上升到其最終電壓。

復(fù)位順序

當(dāng)一個電路中包含兩個處理器時，常常需要其中一個處理器先于另一個脫離復(fù)位狀態(tài)。原先，設(shè)計者采用將兩個POR連接在一起的方式滿足此要求。第一個POR的輸出同時控制著第一個處理器的復(fù)位和第二個的手動復(fù)位輸入。第二個POR的輸出復(fù)位第二個處理器(或者，有些情況下是存儲器)。現(xiàn)在，用于此任務(wù)的、具有時間交錯的復(fù)位輸出的雙POR已經(jīng)面市(圖6)。這些POR只要發(fā)現(xiàn)主電源電壓(圖6中為3.3V)跌落至內(nèi)部設(shè)定的門限以下即可發(fā)出兩路復(fù)位輸出(從POR的觸發(fā)略微提前一點)。一旦電源恢復(fù)到門限以上，兩路復(fù)位輸出中的一路在其定時器計滿后撤銷(圖6中的RESET1)。對于第二個POR，啟動其定時器和撤銷其輸出需滿足兩個條件：RESET1必須被撤銷；第二個POR所監(jiān)視的從電源電壓必須高于由外部電阻所設(shè)定的門限。如果兩個處理器由同一電源供電，RSTIN2可直接連到電源，不必再使用分壓器。

圖6. 通過監(jiān)視為兩個處理器供電的電源，該電路使主處理器先于從處理器脫離復(fù)位狀態(tài)。

對于圖6中所示的MAX6392，第二個POR輸出總是在第一個之后脫離復(fù)位。事實上，它脫離復(fù)位的時間，是由第一路復(fù)位輸出撤銷開始計算的。這樣，圖6電路迫使從處理器在主處理器已開始工作后才脫離復(fù)位。第二POR的延遲時間可通過增加電容來加以延長。

如果需要排序三個處理器，可以考慮DS1830。該器件內(nèi)的三個POR分別工作于10ms、50ms和100ms的最短復(fù)位時間(從電源電壓越過POR門限計起)。通過單一邏輯引腳可將這些復(fù)位時間倍增二或五倍。

結(jié)語

選擇合適的微處理器監(jiān)控器并使其正確的工作盡管看上去非常簡單，但在實踐中有許多方面的問題需要周全的考慮。對于上電復(fù)位即是如此。為電源和POR門限選擇正確的電壓和容差需要仔細(xì)的考慮。還有，適應(yīng)處理器需求的許多新器件非常值得考慮，例如多電壓復(fù)位，復(fù)位排序，電源排序以及電壓跟蹤等。