保持產(chǎn)品正常工作—微處理器監(jiān)控器以小封裝提供大保險(xiǎn)

討論μP監(jiān)控器復(fù)位電路在基于微處理器的系統(tǒng)中的價(jià)值。解釋與監(jiān)控電路相關(guān)的術(shù)語以及如何實(shí)現(xiàn)這些術(shù)語。討論的主題包括上電復(fù)位（POR）、掉電條件和低功耗故障。討論的特性包括欠壓/過壓檢測、手動復(fù)位輸入、電源故障比較器和看門狗定時器。

還探討了具有芯片使能門控功能的電池備份電路。此外，本文檔還討論了多電壓系統(tǒng)等未來需求。

世界給微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了各種各樣的問題。電源以錯誤的順序啟動，上升速度太慢，穩(wěn)定速度太慢。電源電壓會因外部元件負(fù)載而上下毛刺，或者隨著總線電壓波動或系統(tǒng)電池開始失效而漂移進(jìn)出容差。外圍組件和主板無法通電，也無法與處理器的需求同步通信。盡管進(jìn)行了冗長的引入前軟件分析，但錯誤還是潛入系統(tǒng)代碼并被運(yùn)送到現(xiàn)場。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員盡其所能在固定成本預(yù)算內(nèi)最大限度地減少這些事件，但細(xì)心的工程師希望他們的系統(tǒng)即使在出現(xiàn)問題時也能安全運(yùn)行。他們希望確?；谖⑻幚砥鞯南到y(tǒng)每次都能正常啟動;它檢測到系統(tǒng)錯誤何時發(fā)生或即將發(fā)生;它最大限度地減少了這些錯誤的影響;并且它從錯誤中安全返回，很少或沒有用戶干預(yù)。

現(xiàn)代微處理器-監(jiān)控電路是監(jiān)控和維護(hù)此類系統(tǒng)活動的低成本和有效方法。應(yīng)用過去幾年開發(fā)的技術(shù)，今天的主管提供微處理器系統(tǒng)所需的保險(xiǎn)。它們具有低功耗、低成本和廣泛的集成功能，采用非常小的封裝。

上電復(fù)位

微處理器系統(tǒng)的第一個也是最常用的保護(hù)措施是上電復(fù)位（POR）功能。幾乎每臺計(jì)算機(jī)和嵌入式處理器都包含一種在首次通電時以正確配置冷啟動系統(tǒng)的方法。大多數(shù)處理器數(shù)據(jù)手冊都提供了最短復(fù)位周期，在此期間，器件應(yīng)保持不工作狀態(tài)，直到本地電源穩(wěn)定指定的時間間隔（典型值為 200ms）。如果處理器太快退出復(fù)位，則不能保證正常運(yùn)行。在此復(fù)位間隔期間，允許處理器的時鐘穩(wěn)定，內(nèi)部寄存器有時間正確加載。大多數(shù)處理器數(shù)據(jù)手冊都規(guī)定了最短復(fù)位時間，但它們幾乎沒有提供實(shí)現(xiàn)此延遲的指南。

一種價(jià)格低廉但有風(fēng)險(xiǎn)的常用方法是在微處理器的復(fù)位輸入引腳上使用電阻電容（RC）低通濾波器延遲復(fù)位信號（圖1）。您可以選擇組件值，以根據(jù)緩慢的指數(shù)RC上升時間提供廣泛的復(fù)位延遲。當(dāng)電容器從地充電至 V 時抄送，電壓超過微處理器識別為有效（高）輸入電壓（VIH).此操作使處理器脫離重置，并且它應(yīng)該（理想情況下）開始正常運(yùn)行。不幸的是，這種方法有幾個缺點(diǎn)。

圖1.電阻-電容復(fù)位延遲電路

第一個上電問題出現(xiàn)在電源電壓相對于處理器的復(fù)位時間段緩慢上升時。電容電壓緊隨V抄送用于低壓擺率。因此，處理器的復(fù)位輸入電壓可以達(dá)到有效的VIHV之前的級別抄送到達(dá)為設(shè)備指定的容差范圍內(nèi)。例如，對于容差為±3%的3.10V電源，復(fù)位在V之前不應(yīng)取消置位抄送> 2.97V.但是，該系統(tǒng)可以達(dá)到最小VIH2.31V 電平（大多數(shù)處理器為 0.7Vcc），早在電源準(zhǔn)備好用于處理器運(yùn)行之前。也就是說，當(dāng)電源仍比其標(biāo)稱工作電平低 20% 或更多時，處理器可以從復(fù)位中釋放。

RC電路的第二個缺點(diǎn)是大多數(shù)處理器需要較長的復(fù)位延遲間隔（典型值為200ms），這迫使處理器復(fù)位輸入端的壓擺率較低。復(fù)位邏輯輸入通常設(shè)計(jì)用于識別從V快速轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號伊利諾伊州到 VIH.濾波至慢μV/μs壓擺率的延遲復(fù)位電壓不會為處理器的數(shù)字輸入提供足夠的過驅(qū)，這種情況會導(dǎo)致復(fù)位亞穩(wěn)態(tài)。RC濾波器和處理器輸入之間的施密特觸發(fā)器可以提高表觀壓擺率，但它本身也會引起上電問題（除了額外的成本和元件面積）。

掉電和毛刺檢測

掉電檢測是第二常見的復(fù)位要求，與POR密切相關(guān)，突出了低成本RC延遲電路的第三個問題。假設(shè)RC延遲為處理器在釋放復(fù)位之前正確初始化提供了一個合理的間隔，那么如果電源電壓在任何重要的時間間隔內(nèi)毛刺或下降低于其工作容差，系統(tǒng)將面臨風(fēng)險(xiǎn)。

由于選擇RC電路是為了在復(fù)位信號上產(chǎn)生較長的上升時間延遲，因此它會在濾波后的復(fù)位信號降至V之前濾除相對較快的欠壓毛刺伊利諾伊州.快速的負(fù)毛刺（相對于復(fù)位延遲時間）會對處理器的內(nèi)部寄存器造成嚴(yán)重破壞，迫使其執(zhí)行錯誤的指令、處理不正確的數(shù)據(jù)或發(fā)出危險(xiǎn)的系統(tǒng)信號。一個可以長期維持的供應(yīng)下降，可以帶來 V抄送低于處理器的工作容差，同時保持復(fù)位電壓高于其復(fù)位開關(guān)閾值。

改進(jìn)但仍然有風(fēng)險(xiǎn)的解決方案在RC電路中增加了一個二極管，從而為大的負(fù)向V創(chuàng)建快速濾波器響應(yīng)抄送信號（圖2）。作為 V抄送降至充電電容電壓以下時，二極管導(dǎo)通并向下拉復(fù)位信號。這種方法對于 V 的硬降是令人滿意的抄送，但較小的壓降（掉電）可能無法打開二極管。例如，對于2.5V處理器，在二極管開始對電容電壓放電之前，電源必須下降20%以上。如果毛刺或壓降大于處理器容差，但小于二極管的正向?qū)妷海瑒t即使電源恢復(fù)到其全部V，處理器的內(nèi)部寄存器也可能損壞。抄送不觸發(fā)處理器重置的規(guī)范。

圖2.改進(jìn)的RC延遲電路。

集成復(fù)位發(fā)生器

與RC延遲電路相關(guān)的問題可通過IC復(fù)位發(fā)生器（如SOT23 MAX6332×MAX6334和SC70 MAX809/MAX810/MAX803）輕松解決。通過將精確的電壓監(jiān)視器與精確的定時電路集成在一起，這些現(xiàn)代復(fù)位發(fā)生器可檢測電源電壓何時在處理器的容差范圍內(nèi)，并提供有保證的復(fù)位延遲。

典型的復(fù)位器件（圖3）包含一個基準(zhǔn)電壓源、一個電壓比較器、一個電源電壓分壓器網(wǎng)絡(luò)、一個固定延遲時間電路和一個輸出驅(qū)動器級。電阻網(wǎng)絡(luò)可在工廠針對寬范圍的電源電壓容差進(jìn)行調(diào)整，允許用戶為每個處理器應(yīng)用選擇特定的復(fù)位閾值。復(fù)位發(fā)生器的精確電壓檢測器與其邏輯輸出級無關(guān)，不依賴于處理器的高電平和低邏輯輸入電平來確定電源何時在其允許的工作容差范圍內(nèi)。

圖3.集成復(fù)位電路。

對于POR，內(nèi)部電壓比較器僅在電源電壓超過所選閾值足夠長時間時打開延遲電路。延遲發(fā)生器提供處理器兼容的復(fù)位時間范圍為 1ms 至 1s，使輸出級保持復(fù)位狀態(tài)，直到最小指定周期到期。然后，發(fā)生器輸出（提供多個邏輯選項(xiàng)）被取消置位，以快速驅(qū)動處理器從復(fù)位狀態(tài)并進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

大多數(shù)復(fù)位發(fā)生器中的電壓比較器還可以檢測電源電壓何時降至處理器容差以下。如果它下降到所選閾值以下足夠長的時間，復(fù)位輸出會快速置位其活動驅(qū)動器邏輯，以掛起并重新初始化所有處理器活動。復(fù)位可以隨時激活：電源的鋸齒狀啟動，大V抄送系統(tǒng)出現(xiàn)故障、掉電或關(guān)機(jī)。

重置閾值

寬范圍 V抄送復(fù)位閾值在當(dāng)今的行業(yè)中可用。許多供應(yīng)商為標(biāo)稱電源電壓 5、3.3、2.5、1.8 和 1.2V 提供標(biāo)準(zhǔn)復(fù)位選項(xiàng)?？蛻艨梢赃x擇一個標(biāo)準(zhǔn)的固定復(fù)位門限，以匹配給定的標(biāo)稱處理器電源電壓及其最小容差?；蛘哌x擇可調(diào)復(fù)位門限，以監(jiān)視低至0.5V的更寬電壓范圍（MAX16052/MAX16053）。復(fù)位容差通常在-5%和-10%的處理器兼容選項(xiàng)中提供。對于非標(biāo)準(zhǔn)固定復(fù)位電壓，一些供應(yīng)商在寬V電壓上提供100mV擊穿抄送范圍為 1.2V 至 5V。這種靈活的范圍允許用戶針對元件容差和電源電壓的特定組合優(yōu)化閾值。

更嚴(yán)格的復(fù)位門限精度通常有助于支持更寬松、成本更低的電源規(guī)格。例如，保證其5V±10%處理器工作的系統(tǒng)需要在電源降至4.5V之前初始化復(fù)位。如果監(jiān)控設(shè)備的精度為 ±2.5%，則在整個溫度范圍內(nèi)相對于標(biāo)稱 V 保證抄送，典型復(fù)位門限為4.625V，最大復(fù)位門限為4.75V。由于監(jiān)控器的精度規(guī)格為 ±2.5%，處理器可以重置為任何 V抄送低于4.75V，保證在V之前復(fù)位抄送降至4.5V以下。

為了支持監(jiān)控器精度開銷并避免出現(xiàn)未知復(fù)位條件的區(qū)域，應(yīng)將最終電源指定為更嚴(yán)格的最小限值 （4.75V）。由此產(chǎn)生的 5V、-5%/+10% V抄送規(guī)格可能會大大增加電源成本。因此，更精確的±1%或±1.5%的監(jiān)控器雖然比±2.5%的設(shè)備更昂貴，但實(shí)際上可以降低系統(tǒng)成本。

現(xiàn)代復(fù)位發(fā)生器的一個重要功能是最大限度地減少令人討厭的復(fù)位：當(dāng)短時間的小幅度尖峰將電源電壓壓低到其允許的最小水平以下時，就會發(fā)生不希望的系統(tǒng)重新啟動。為了確定是否需要系統(tǒng)復(fù)位，電壓檢測器集成了毛刺持續(xù)時間和強(qiáng)度。最大電源瞬態(tài)持續(xù)時間與過驅(qū)的關(guān)系圖可以說明復(fù)位發(fā)生器如何響應(yīng)系統(tǒng)電源中的噪聲（圖 4）。

圖4.最大瞬態(tài)持續(xù)時間與過載。

欠壓/過壓檢測電路

必須監(jiān)視某些電源的欠壓和過壓情況。在許多系統(tǒng)中，過壓監(jiān)控已成為必要的，以防止損壞昂貴的處理器和ASIC。監(jiān)控過壓和欠壓條件的窗口檢測器可以用兩個電壓檢測器和一個基準(zhǔn)電壓源構(gòu)成。或者，也可以使用專用的窗口檢測器IC，例如MAX6754系列（圖5）。

圖5.窗戶檢測電路。

手動復(fù)位

用于手動（按鈕）復(fù)位的輸入是簡單復(fù)位生成器的有用補(bǔ)充。手動復(fù)位允許用戶或外部系統(tǒng)組件在電源電壓保持在容差范圍內(nèi)時觸發(fā)微處理器復(fù)位。如果處理器由于某種未知原因鎖定，手動重置可讓您在不關(guān)閉系統(tǒng)電源的情況下重新啟動。此功能對于從不關(guān)閉控制處理器電源的產(chǎn)品尤其重要，即使在“關(guān)閉”模式下也是如此。它對于調(diào)試和最終系統(tǒng)測試也很有用。在所有情況下，手動復(fù)位都可以保證處理器在復(fù)位期間收到必要的超時期限。

手動復(fù)位通常由低成本按鈕開關(guān)啟動，MAX6335–MAX6337系列等復(fù)位器件通常包括輸入去抖動電路，以屏蔽接地開關(guān)觸點(diǎn)閉合引發(fā)的振鈴效應(yīng)。由于開關(guān)可以遠(yuǎn)離處理器（通常位于背板上或隱藏在電池或電源倉中），因此最好的手動復(fù)位電路通過抑制短（典型值為100ns）噪聲引起的脈沖來適應(yīng)長電路板運(yùn)行。為了保證有效的復(fù)位輸入（典型值為1μs），它們還需要一個最小輸入脈沖寬度。手動復(fù)位可以作為監(jiān)控器的獨(dú)立輸入實(shí)現(xiàn)，也可以作為雙功能引腳實(shí)現(xiàn)，既用作復(fù)位輸出，又用作手動復(fù)位輸入。

一些微處理器現(xiàn)在將上電復(fù)位電路與其電源管理功能集成在一起。雖然這些嵌入式復(fù)位電路通常優(yōu)于RC延遲方法，但μP IC工藝針對高速或低功耗數(shù)字性能進(jìn)行了優(yōu)化，而不是精確可靠的模擬測量和定時。因此，內(nèi)部復(fù)位可以在正常工作條件下提供合理的上電時序，但它們很難處理可能導(dǎo)致處理器錯誤的電源瞬變和掉電。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健運(yùn)行，大多數(shù)處理器提供額外的復(fù)位輸入，可由外部專用復(fù)位監(jiān)控器驅(qū)動。

電源故障和低電量指示燈

許多系統(tǒng)即使電源完全斷電且微處理器發(fā)生故障，也無法承受數(shù)據(jù)丟失。電源電壓損失導(dǎo)致的硬復(fù)位會導(dǎo)致處理器轉(zhuǎn)儲其內(nèi)部寄存器中保存的任何信息。系統(tǒng)可以通過將數(shù)據(jù)連續(xù)保存在非易失性存儲器中來最大程度地減少這種潛在的數(shù)據(jù)丟失，但這種方法會降低處理器效率，并強(qiáng)調(diào)閃存或EEPROM存儲器的寫入耐久性。

由SOT23封裝的MAX6342–MAX6345監(jiān)控器實(shí)現(xiàn)的一種改進(jìn)方法采用電源故障或電池電量不足指示器，使處理器能夠預(yù)測電源電壓損失。通過預(yù)先警告，處理器可以在系統(tǒng)啟動復(fù)位之前將信息存儲在非易失性存儲器中（圖 6）。

圖6.電源故障/電池電量不足指示燈。

典型系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)來自主電源或電池的電壓為處理器供電。該處理器電源電壓由標(biāo)準(zhǔn)上電/掉電復(fù)位監(jiān)控，但獨(dú)立的低壓指示器也監(jiān)視主電源。該指示器的閾值設(shè)置為高于穩(wěn)壓壓差，其輸出驅(qū)動不可屏蔽中斷（NMI）。此 NMI 指示處理器開始將數(shù)據(jù)保存到非易失性存儲器中。如果實(shí)施得當(dāng)，低壓指示器將提供足夠的時間在穩(wěn)壓電壓降至處理器的最低工作規(guī)格以下之前存儲所有數(shù)據(jù)。

備用電池和芯片使能門控

當(dāng)系統(tǒng)沒有時間將大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒且资源鎯ζ鲿r，備用電池是一個有吸引力的替代方案。為了適應(yīng)雙電源供電，SOT23 MAX6361/MAX6363/MAX6364等器件為初級V提供一條輸入抄送一個用于板載電池（圖 7）。

圖7.備用電池。

當(dāng)電源電平足以維持易失性RAM活動時，內(nèi)部開關(guān)將監(jiān)控器的電壓輸出連接到V抄送.當(dāng) V抄送低于指定閾值時，管理引擎通過向微處理器發(fā)出復(fù)位來禁用進(jìn)一步的內(nèi)存寫入。如果 V抄送下降太低以保持 RAM 內(nèi)容，管理引擎從 V 切換 RAM 電源抄送到備用電池。具有低掛起電流的存儲設(shè)備可以長時間保存數(shù)據(jù)，直到系統(tǒng)V抄送可以恢復(fù)到適當(dāng)?shù)牟僮魉健Ｈ绻枰?，相同的備用電池過程也可以維持實(shí)時時鐘和某些處理器活動。

看門狗定時器

即使是設(shè)計(jì)最好的系統(tǒng)也會受到電源波動以外的誤差的影響。錯誤的程序代碼、不正確的時鐘信號或響應(yīng)不良的外設(shè)都可能迫使處理器退出其正常運(yùn)行代碼或進(jìn)入死胡同循環(huán)。當(dāng)處理器離開預(yù)期的指令路徑時，它可能無法知道它是否運(yùn)行不正確并需要重新啟動。

為了解決這個問題，許多監(jiān)控IC（如工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MAX823和更新的MAX6316–MAX6318器件）都包含一個看門狗定時器，作為確保處理器在適當(dāng)?shù)拇a邊界內(nèi)執(zhí)行的低成本手段。此方案要求處理器在指定的最短時間段內(nèi)不斷更新看門狗邏輯輸入。否則，管理引擎會發(fā)出系統(tǒng)警報(bào)（圖8）。

圖8.看門狗定時器選項(xiàng)。

看門狗常見的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)超時時間為 1.6 秒，但供應(yīng)商提供從 1 毫秒到 1 分鐘的選項(xiàng)。由于監(jiān)視器更新會消耗處理器周期開銷，因此應(yīng)通過詢問“在啟動重置之前允許系統(tǒng)錯誤運(yùn)行多長時間？某些設(shè)備允許更長的啟動超時（例如 1 分鐘），然后再回落到正常的 1.6 秒短超時操作模式。這種雙超時功能允許系統(tǒng)在啟動期間執(zhí)行冗長的啟動過程，然后負(fù)責(zé)更快的常規(guī)看門狗更新。

看門狗輸出有時可以綁定到不可屏蔽的處理器輸入，這允許管理引擎嘗試使處理器恢復(fù)正常運(yùn)行，而不會丟失易失性內(nèi)存數(shù)據(jù)。為了在檢測到任何錯誤時完全重新初始化系統(tǒng)，看門狗可以與 POR/掉電檢測輸出共同綁定。

許多微處理器現(xiàn)在都提供內(nèi)部看門狗定時器來監(jiān)控自己的內(nèi)部狀態(tài)。由于看門狗只是處理器的支持功能，因此它通常提供一系列可編程超時周期和禁用選項(xiàng)。處理器還可以通過軟件控制修改其看門狗監(jiān)視器功能。然而，由于可編程看門狗采用與處理器相同的電源電壓和時鐘輸入工作，因此它經(jīng)常受到與處理器本身相同的瞬態(tài)誤差的影響。因此，最強(qiáng)大的系統(tǒng)包括一個獨(dú)立的看門狗，它保證每次都向處理器正確輸入。

多電源應(yīng)用

較新的處理器和許多其他系統(tǒng)需要多電源電壓。多電源器件的趨勢在高速小尺寸數(shù)字信號處理器中尤為明顯，它可以與3.3V的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)I/O電壓通信，但內(nèi)核邏輯為2.5V或更低。這些器件通常要求在釋放 POR 之前，兩個電源都在處理器的容差范圍內(nèi)。同樣，復(fù)雜的接收器系統(tǒng)可以保持四個或五個電源電壓（例如12V、5V、-5V、3.3V和2.5V），支持各種模擬和數(shù)字組件。任何這些電壓的欠壓情況都可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

盡管成本低廉，但簡單的RC網(wǎng)絡(luò)無法同時監(jiān)視多個電源，同時為系統(tǒng)復(fù)位提供單個有效邏輯電平。從歷史上看，制造商已經(jīng)創(chuàng)建了具有多個電源故障/復(fù)位檢測器的多電源監(jiān)控電路，或者通過連接多個單電源復(fù)位器件的輸出來共同創(chuàng)建。然后，任何低于其指定容差的電源電壓都會阻止處理器復(fù)位的釋放。

一些較新的監(jiān)控器支持單封裝設(shè)計(jì)中的多電壓監(jiān)控（圖 9）。MAX6351–MAX6360系列設(shè)計(jì)用于雙電源和三電源應(yīng)用，為工廠調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)復(fù)位門限（例如，與3.3V和2.5V電源電壓相關(guān)的復(fù)位門限）提供了多種選擇?？烧{(diào)檢測器允許用戶監(jiān)視第三個電源電壓（如 5V 模擬外設(shè)）并推遲處理器啟動，直到所有電壓都在容差范圍內(nèi)。現(xiàn)代封裝和工藝允許Maxim將額外的功能壓縮到多電壓SOT23復(fù)位監(jiān)控器中，以及延長啟動周期的看門狗定時器和手動復(fù)位輸入。

圖9.多電源復(fù)位監(jiān)控。

未來

隨著處理器要求從穩(wěn)步縮小的集成過程中獲得更高的性能，我們應(yīng)該看到更低的工作電壓。如果±5%和±10%的當(dāng)前處理器電源容差保持不變，設(shè)計(jì)人員將需要更精確的模擬電壓檢測器來取代其分立元件替代品。成功監(jiān)測-5mV最大電源偏差的舊250V復(fù)位架構(gòu)可能無法支持具有-1mV欠壓限值的新2.60V監(jiān)視器。由于許多低壓系統(tǒng)需要支持一系列雙電源設(shè)備和變化較慢的傳統(tǒng)電源設(shè)備，因此對多電壓監(jiān)控以確保正常運(yùn)行的需求應(yīng)該變得更加重要。

我們還應(yīng)該見證新的集成的引入，它將監(jiān)控器與現(xiàn)在圍繞微處理器的其他組件相結(jié)合。如果外部芯片為處理器提供電源或通信，則其集成提供了縮小電路板面積、降低功耗和降低成本的機(jī)會。目前與監(jiān)控器結(jié)合使用的一些功能包括低壓差穩(wěn)壓器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、非易失性存儲器和實(shí)時時鐘。

結(jié)論

最好的微處理器監(jiān)控器是如此的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，以至于客戶永遠(yuǎn)不會知道他們在系統(tǒng)中。此類系統(tǒng)始終正常通電，不會丟失或破壞數(shù)據(jù)，也不會 意外鎖定。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將現(xiàn)代主管視為一種低成本的保險(xiǎn)單，可以使產(chǎn)品始終保持工作。主管還可以縮短制造商的上市時間，同時最大限度地減少現(xiàn)場問題、客戶服務(wù)和故障退貨。由于現(xiàn)在提供的產(chǎn)品種類繁多，采用非常小的 SOT23、SC70 和 TDFN 封裝，因此您可以優(yōu)化需要低功耗、低電壓、多電源電壓和低成本的應(yīng)用，而不會犧牲其功能。

審核編輯：郭婷