監(jiān)控電路可控您的微處理器

了解μP監(jiān)控器的價值，以確保在上電、斷電和掉電情況下（欠壓監(jiān)控）期間系統(tǒng)正常運行。此外，還提供有關(guān)過壓和窗口監(jiān)控的信息。介紹其他功能，如手動復(fù)位、看門狗定時器、備用電池和芯片使能門控。討論多電壓監(jiān)控的必要性。

微處理器監(jiān)控電路已經(jīng)存在了很多年，以至于它們通常被認為是理所當(dāng)然的?，F(xiàn)代集成電路版本并非如此，從簡單的三端子復(fù)位芯片到復(fù)雜的多功能設(shè)備。僅Maxim就提供近100個零件號，每個零件號都有數(shù)千種產(chǎn)品。通過了解這些產(chǎn)品及其基本功能，板級設(shè)計人員可以處理 最簡單和最復(fù)雜的應(yīng)用程序。

微處理器（μP）監(jiān)控器最基本的功能是“上電復(fù)位”（POR）。否則，基于μP的良好系統(tǒng)在上電期間或電源電壓暫時下降（掉電）時可能會出現(xiàn)問題。多年來，這個問題的部分解決方案是在μP的/RESET線路上增加一個電阻、一個電容和一個二極管（圖1）。

圖1.這種粗糙的監(jiān)控電路只是VDD監(jiān)控問題的部分解決方案。

增加的 RC 導(dǎo)致電源電壓開始上升后，/復(fù)位有效保持低電平。如果電壓上升得足夠快，則/RESET將足夠低，以保持μP復(fù)位，從而允許其電路在恢復(fù)正常工作之前穩(wěn)定下來。當(dāng)電源關(guān)閉并降至零時，二極管也可確保為/RESET提供快速的高低轉(zhuǎn)換。

只要電源相對于RC時間常數(shù)快速上升，這種方法就相當(dāng)適用于上電。該電路的工作是保護μP免受不完美的上電影響，但它依賴于電源電壓足夠快地上升來實現(xiàn)此目的。在掉電期間重置μP也不可靠。為了實現(xiàn)該條件下的復(fù)位，電源電壓必須降至V電平伊利諾伊州減一 二極管壓降。然而，在達到此水平之前很久，電源電壓就遠低于其最低規(guī)格。

為了處理這種情況，微處理器供應(yīng)商通常推薦與圖2相當(dāng)?shù)碾娐贰．?dāng)電源下降時，它會強制復(fù)位，但電壓精度僅限于齊納二極管的電壓精度以及與晶體管特性相關(guān)的誤差。

圖2.該電路為圖1所示的VDD監(jiān)視器增加了掉電能力，但它提供的精度和實用性有限。

超時功能可以通過增加一個電容器和一個二極管連接到該電路上。由此產(chǎn)生的電路有七個元件，在精度和電源電壓上升緩慢方面仍然存在問題。

多準確才算足夠準確？

考慮一個常見示例，其中處理器采用標稱 5V 電源工作，額定工作電壓低至 4.5V。對于低于4.5V的所有電壓，復(fù)位電路應(yīng)保持復(fù)位，因此其最小門限必須為4.5V。那么，復(fù)位閾值隨溫度和單元之間的擴散上限應(yīng)該是多少？如果您想與電源設(shè)計人員遇到麻煩，您可以將電源指定為 5V ±0%，但更可能的范圍是 4.75V 至 5.25V。因此，您應(yīng)該保證閾值在4.5V和4.75V之間;即4.63V ±2.7%。

齊納二極管可以調(diào)節(jié)閾值電壓，但典型齊納二極管的精度為±5%至±10%。對于高價，您可以指定更嚴格的公差（至±1%），但僅適用于室溫和特定電流。所有齊納二極管的電壓隨電流變化顯著，典型溫度系數(shù)（TC）為幾mV/°C。 基于齊納二極管的復(fù)位電路不足以保證啟動時和掉電期間的正確復(fù)位。更糟糕的是，即使是低電流齊納二極管也需要0μA電流才能實現(xiàn)穩(wěn)壓，這在電池供電系統(tǒng)中是一個相當(dāng)大的負載。

理想的復(fù)位電路應(yīng)該如何工作？

我們已經(jīng)確定復(fù)位電路的電壓容差在整個溫度范圍內(nèi)不應(yīng)超過±2.7%。但是，如果沒有適當(dāng)?shù)难舆t終止復(fù)位脈沖，電路在兩種情況下會發(fā)生故障：如前所述電源電壓緩慢上升，或者在啟動或從掉電條件恢復(fù)期間表現(xiàn)出噪聲或非單調(diào)行為的電源電壓。如果監(jiān)控電源電壓正好位于復(fù)位電路門限處，則噪聲往往會反復(fù)觸發(fā)、取消觸發(fā)和重新觸發(fā)電路，從而導(dǎo)致μP的/RESET輸入振蕩。

遲滯可以解決這個問題，市場上提供了幾個電壓檢測器產(chǎn)品系列，試圖以這種方式解決這一難題。遺憾的是，遲滯縮小了閾值的允許電壓容差。在上面的例子中，我們有250mV（4.75V D 5.0V）可以使用。如果增加100mV的遲滯，則上升電壓的最小閾值將比以前高100mV，即4.6V而不是4.5V。這種轉(zhuǎn)變對于保證電壓下降的閾值（在掉電期間）不低于4.5V是必要的。因此，為了確保兩個門限都在4.5V和4.75V之間，上限必須為4.67V ±1.6%。

這種類型的常見電壓檢測器，如理光Rx5VL/Rx5VT和精工S-807，其25°C閾值精度分別為±2.5%和±2.4%。實際器件的工作溫度超過25°C，但這些產(chǎn)品僅規(guī)定了100ppm/°C和120ppm/°C的典型溫度系數(shù)。 這些TC在2°至85°C范圍內(nèi)的閾值容差分別為±2.82%和±0.70%。

精工S-808系列代表了這種類型的最新精密零件。它們規(guī)定 2°C 時的精度為 ±25%，最大溫度系數(shù)為 350ppm/°C。 在0°C至70°C范圍內(nèi)，該最大溫度系數(shù)對應(yīng)于350e-6 x 70 = 0.0245或2.45%的變化。因此，我們的最壞情況準確率為 ±3.225%。如果我們假設(shè)最壞的情況 部分不會在整個溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出最大溫度系數(shù)，而是（平均）大約是最大值的一半，那么得到的最大變化（±2.6125%）對于上述示例來說已經(jīng)足夠好了。

我們還沒有考慮滯后。上述分析表明，上升沿閾值符合我們的規(guī)范。但是，下降沿閾值將更低。所有這些探測器的滯后典型值為5%，最大值為7%或8%。本例中的上升沿閾值在所需范圍內(nèi)（4.5V至4.75V），但下降沿閾值可低至4.13V。也就是說，在電源電壓幾乎超出規(guī)格0.4V之前，我們無法保證掉電檢測！

電子拖延是答案

為了防止檢測閾值處的振蕩行為而不訴諸過度遲滯，我們必須延遲復(fù)位脈沖的后沿。與上述RC電路一樣，在電源電壓超過檢波器閾值后，復(fù)位脈沖必須保持一段時間。此間隔稱為“延遲時間”或“重置活動超時期限”。然而，與RC電路延遲不同的是，當(dāng)電源電壓超過檢波器中精確調(diào)整的閾值時，就會觸發(fā)此延遲。延遲也應(yīng)可重新觸發(fā)，以防止μP復(fù)位信號振蕩。當(dāng)電源電壓緩慢上升導(dǎo)致檢波器門限處出現(xiàn)多個觸發(fā)事件時，每個事件應(yīng)重新啟動超時。

提供這種基本功能的器件已經(jīng)存在了很長時間，近年來已經(jīng)采用微型三端子SOT23封裝。首款SOT23器件（MAX809）已成為被大量復(fù)制的行業(yè)標準。通用809提供多個工廠調(diào)整的復(fù)位閾值，在-2°C至+6°C范圍內(nèi)提供±40.85%的保證精度。809 還保證 140ms 的最小活動超時復(fù)位周期。它提供了上述所有功能，并且比離散組件方法簡單得多。圖3說明了809電路的簡單性。

圖3.三端監(jiān)控IC將電壓監(jiān)控（啟動和掉電）與復(fù)位延遲功能相結(jié)合。

MAX809的電流消耗高達60μA。該器件的一些最新克隆產(chǎn)品，包括IMP的IMP809和ETC的ETC809，具有15μA至20μA范圍內(nèi)的最大電源電流。然而，新的MAX6326和MAX6346系列以低得多的電源電流提供相同的功能。對于低于 1.0V 的閾值電壓，它們的最大電流為 5μA （典型值為 3.2μA），對于較高的閾值電壓，它們的最大電流為 1.75μA （典型值為 1μA）。

當(dāng)電源監(jiān)控不夠時

三終端監(jiān)控器提供主要監(jiān)控功能，但許多應(yīng)用程序需要更多的監(jiān)控器。通常需要的基本功能是按鈕或手動復(fù)位輸入。此功能允許您通過瞬時按鈕開關(guān)啟動復(fù)位。它還可以對多個二進制信號進行選通，或?qū)Ζ蘌的復(fù)位輸入進行另一個復(fù)位。該輸入使用與電源監(jiān)視器相同的延遲功能進行去抖動。增強型監(jiān)控器需要第四個引腳，由 SOT-143（四引腳 SOT-23）提供。上述三端設(shè)備的大多數(shù)制造商也制造包含此功能的四終端設(shè)備。

大多數(shù)早期的SOT器件都有五個左右的標準閾值電壓。然而，Maxim的四端器件中的兩款（MAX6314和MAX6315）是越來越多的監(jiān)控器中的第一款，可提供廣泛的定制門限和復(fù)位超時。最常見的組合可作為標準產(chǎn)品提供，但工程師還可以指定2.5V至5.0V的閾值電壓，增量為100mV，最小復(fù)位延遲時間為1ms、20ms、140ms或1.12s。

汪！

基于微處理器的系統(tǒng)的另一個常見要求是看門狗定時器（WDT）。WDT 提供針對流氓軟件和其他導(dǎo)致軟件執(zhí)行“雜草叢生”的異常情況的保護。WDT只是一個可重啟的定時器，其輸出（/WDO）在超時時改變狀態(tài)，復(fù)位μP或產(chǎn)生中斷。為防止 WDT 超時，請將 I/O 線路從 μP 連接到 WDT 輸入 （WDI）。然后，軟件必須在此行上生成轉(zhuǎn)換，在超時之前反復(fù)重新啟動看門狗。否則，WDO 將觸發(fā)中斷或重置。

但是我的微處理器具有看門狗功能

許多μP具有內(nèi)部看門狗定時器，但其中許多WDT不提供完整的保護。通常，WDT可以禁用，也可以通過軟件啟用。如果軟件可以禁用 WDT，則 WDT 無法完全保護系統(tǒng)免受軟件侵害。要消除這種責(zé)任，您需要一個無法通過軟件禁用的外部硬件看門狗定時器。

許多器件都具有此功能，包括無處不在的達拉斯半導(dǎo)體DS1232;它是市場上重復(fù)最多的監(jiān)控電路之一（圖 4a）。該器件提供與四端子器件相同的功能，以及可通過其TD引腳對三個不同周期中的任何一個進行編程的WDT。使用 TOL 引腳，您還可以將閾值設(shè)置為兩個工廠設(shè)置電壓之一。'1232 還具有互補的復(fù)位輸出。原始版本僅提供 16 引腳 DIP 和 <> 引腳寬 SO 封裝。較新版本采用八引腳 SO。

大多數(shù)應(yīng)用不需要'1232'的可編程性或互補輸出。消除這些功能后，引腳數(shù)減少到23個，允許在SOT23的823引腳版本中實現(xiàn)其余功能。首批采用五引腳SOT824的器件是MAX4和MAX1232（圖823b）。與'824一樣，其WDT輸出與電源監(jiān)視器輸出在內(nèi)部門控，以提供單個/RESET輸出。MAX<>具有/有效/復(fù)位，MAX<>具有高電平有效復(fù)位。

圖4.這些常用的監(jiān)控IC包括看門狗定時器和手動復(fù)位輸入。

與三端子和四端子器件一樣，這些首批五引腳SOT器件催生了一系列器件，為設(shè)計人員提供了更大的變化和靈活性。例如，MAX6316至MAX6322器件在SOT23-5中提供多種特性組合和輸出結(jié)構(gòu)。這些產(chǎn)品的可用版本提供 100.2V 至 5.5V 之間以 0mV 為增量的復(fù)位門限、四種不同的最小復(fù)位超時（1ms、20ms、140ms 或 1.12s）和四種不同的最小 WDT 超時周期（4.3ms、71ms、1.12s 或 17.9s）。

使用單芯片監(jiān)控多個電壓

許多系統(tǒng)需要多個電源電壓才能工作。這些電壓可以用多個器件監(jiān)控，但大多數(shù)設(shè)計人員更喜歡使用單個器件來監(jiān)控兩個或多個電壓。例如，Dallas DS1834監(jiān)視5V電源和3V或3.3V電源。

同時包含模擬和數(shù)字電路的系統(tǒng)通常需要同時監(jiān)視數(shù)字電源電壓以及正負模擬電源電壓。MAX6304、MAX6307或MAX6310（采用SOT封裝）加上<>個外部電阻即可完成這項工作。 IC的區(qū)別僅在于復(fù)位輸出的結(jié)構(gòu)：低真開漏、低真推挽或高真推挽。它們監(jiān)控 V 處的電壓抄送引腳采用工廠預(yù)設(shè)復(fù)位門限，范圍為2.5V至5.0V，步長為100mV。每個器件包括外部設(shè)置的欠壓和過壓比較器，其閾值由外部分壓器設(shè)置。這兩個比較器的欠壓和過壓輸入可以實現(xiàn)窗口復(fù)位功能，在特定電壓過高或過低時發(fā)出警告（通過產(chǎn)生復(fù)位）。

或者，您可以將過壓輸入用作負電壓的欠壓檢測器。將此功能與預(yù)設(shè)和可配置的欠壓檢測器相結(jié)合，芯片能夠監(jiān)視邏輯電壓（如 5V）以及正負模擬電壓（如 ±12V）（圖 5）。所示器件具有低真推挽復(fù)位輸出（6310基數(shù)）、標稱4.63V預(yù)設(shè)閾值（“46”后綴）和標稱200ms復(fù)位超時（D3后綴）。當(dāng)模擬電壓小于±10V時，所示的外部電阻產(chǎn)生復(fù)位。

圖5.內(nèi)部比較器實現(xiàn)欠壓/過壓警告和窗口復(fù)位功能。

為了確保電源電壓損失時SRAM內(nèi)容和其他關(guān)鍵功能的連續(xù)性，許多較舊的監(jiān)控電路能夠（在復(fù)位的同時）將施加到此類子系統(tǒng)的電源從系統(tǒng)電源切換到備用電池。隨著閃存的出現(xiàn)，對這種電池備份切換的需求正在下降，但它仍然存在于許多系統(tǒng)中。大多數(shù)較舊的監(jiān)控器芯片都有用于電池和系統(tǒng)電源的內(nèi)部開關(guān)，對于較大的負載，它們還可以通過驅(qū)動外部電源來切換系統(tǒng)電源。 晶體管。

電池備份切換的配套功能是芯片使能寫保護或芯片使能門控（/CE選通）。來自μP或地址解碼邏輯的/CE線通常進入SRAM，而是通過監(jiān)控芯片路由到SRAM。該信號通常原封不動地通過芯片。然而，在復(fù)位期間，監(jiān)控芯片強制/CE為高電平，從而禁止對存儲器的訪問，從而保護SRAM內(nèi)容免受暫時失去理智的μP的錯誤寫入。

最新的監(jiān)控芯片是相對簡單的器件，采用SOT等小型封裝，但有些芯片提供附加功能。例如，MAX818提供基本的電源監(jiān)視和看門狗功能，以及電池備份切換和CE門控，采用6引腳μMAX封裝（圖<>）。該部件中的電池備份切換電路還提供“電池新鮮度密封”，可防止安裝在產(chǎn)品中的電池在發(fā)貨前放電。

圖6.該監(jiān)控器件包括看門狗定時器、電池備份切換和芯片使能門控，以及基本的電源電壓監(jiān)控。

在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中啟用新鮮度密封：安裝電池后，測試設(shè)備強制/CE OUT線接地，施加V抄送，然后刪除 V抄送重置超時期限到期后。即使監(jiān)控芯片斷電，內(nèi)部電池備份電路也能保持電池和負載斷開。然后芯片在下次V時恢復(fù)正常工作抄送應(yīng)用（無需外部保持/CE OUT低電平）。

更復(fù)雜的設(shè)備提供的另一個特性是低線輸出。該二進制輸出由內(nèi)部比較器觸發(fā)，該比較器監(jiān)視電源電壓，其閾值略高于復(fù)位閾值。通過中斷監(jiān)視該引腳，μP會提前收到由于電壓驟降而即將復(fù)位的警告。

一些器件提供內(nèi)部“電源故障”比較器，一個輸入連接到內(nèi)部基準，另一個輸入（和輸出）未提交。這種布置允許設(shè)計人員使用外部分壓器檢測任何所需的電壓電平。它通常用于檢測來自施加在 V 的電池或線路衍生源的原始電壓抄送調(diào)節(jié)器。當(dāng)輸入電壓接近適當(dāng)調(diào)節(jié)允許的最小值時，電源故障輸出通知μP。這種預(yù)警可以讓系統(tǒng)在斷電之前執(zhí)行有序關(guān)機。這種復(fù)雜的多功能監(jiān)控電路包括DS1236、MAX793和MAX807。

然而，某些復(fù)雜的任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用的要求超出了任何單個芯片的能力，包括這些多功能監(jiān)控器。一個很好的例子是運動工程公司（加利福尼亞州圣巴巴拉）的高端多軸運動控制器。這些系統(tǒng)（XMP 系列）使用標準監(jiān)控器和一些最少的外部邏輯的組合來實現(xiàn)獨特、全面的保護方案（圖 7）。該系列的初始成員（PCI 版本和緊湊型 PCI （CPCI） 版本）提供 150+ MFLOPS 的 DSP 功率和控制多達 16 個軸;即 16 臺電機緊密同步。

圖7.多個IC為復(fù)雜的任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)提供監(jiān)控保護。

由于控制器和電機驅(qū)動器之間的事實上的標準接口是 ±10V 信號，因此 XMP 通過板載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生 ±15V 電源電壓，為輸出級供電。它利用這些電壓以及CPCI規(guī)范標配的±12V、+5V和+3.3V電壓。對于 PCI 版本的運動控制器，3.3V 是使用另一個 DC-DC 轉(zhuǎn)換器從 5V 派生出來的。由于模擬輸出直接控制電機速度（或扭矩），因此在故障情況下它們復(fù)位為零。系統(tǒng)監(jiān)視所有電源電壓，如果任何電源電壓超出規(guī)格，則關(guān)斷模擬輸出。

同樣，硬件使用看門狗定時器 （WDT） 來保護自身、電機和電機負載免受軟件問題的影響。WDT 的短超時 （4ms） 可在損壞發(fā)生之前捕獲錯誤條件。在啟動時，WDT 必須推遲，直到主機和 XMP 通電并同步。然后，WDT 以這樣一種方式啟用，即軟件無法在未完全重置 DSP 的情況下再次禁用它。

主機或外部信號也可以觸發(fā)硬復(fù)位，導(dǎo)致完全重啟，使電路板處于與初始上電后相同的狀態(tài)。WDT 僅觸發(fā)軟復(fù)位，這會復(fù)位模擬輸出并導(dǎo)致 FPGA 在不重新加載其配置的情況下復(fù)位其 I/O。軟復(fù)位條件將鎖定，直到主機決定要執(zhí)行的操作。所有其他來源都會導(dǎo)致硬重置。

一個MAX6307監(jiān)視±15V電源;另一個監(jiān)視 ±12V 電源。如上所述，過壓輸入用作負電源電壓的欠壓檢測器。漏極開路復(fù)位輸出采用線或線連接，并通過主機生成的復(fù)位進行選通，主機通過PCI接口將特定值寫入CPLD寄存器。結(jié)果施加于MAX6315的手動復(fù)位（/MR）輸入，外部復(fù)位輸入施加于另一MAX6315的/MR輸入。一個'6315（出廠設(shè)置為4.63V）監(jiān)視5V電源，另一個（出廠設(shè)置為2.93V）監(jiān)視3.3V電源。其線或輸出產(chǎn)生硬復(fù)位，導(dǎo)致整個電路板返回到上電狀態(tài)。

采用μMAX封裝的MAX6303用于看門狗定時器。該器件使用兩個外部電容器為看門狗和復(fù)位功能設(shè)置獨立的超時周期?？撮T狗周期根據(jù)WDS數(shù)字輸入的狀態(tài)乘以1X或500X。一個外部 WDT 電容器和 WDS 引腳的組合可提供 100μs 至數(shù)分鐘的 WDT 周期。MAX6303還具有欠壓檢測器（未使用），由兩個外部電阻設(shè)置。

將MAX6303 WDS引腳驅(qū)動至高電平并浮動其WDI輸入禁用WDT。利用此功能和XMP上CPLD中DSP電路中的兩個標志，在硬復(fù)位后禁用MAX6303的WDT。第一面旗幟用作WDT STROBE;第二個作為 WDT /ENABLE（低真）。STROBE信號在應(yīng)用于WDI之前會經(jīng)過CPLD中的三態(tài)緩沖器。ENABLE 信號由 CPLD 上的觸發(fā)器記錄，觸發(fā)器輸出控制選通的三態(tài)緩沖器。

STROBE 信號路徑中的觸發(fā)器和類似的 CPLD 電路可確保兩個信號都處于高電平狀態(tài)，從而禁用 WDT。一旦 DSP 正確啟動，它將啟用標志設(shè)置為低電平。此操作將 WDS 觸發(fā)器清除為零，從而允許 STROBE 信號從 CPLD 傳播到 WDT 輸入。此轉(zhuǎn)換將啟用 WDT。觸發(fā)器的配置使得WDS輸入在未完全復(fù)位DSP的情況下無法再次變?yōu)楦唠娖?。為避免軟?fù)位，DSP 現(xiàn)在必須每 4ms 為 WDT 提供服務(wù)。

WDT 異步超時在 CPLD 中鎖存其復(fù)位輸出，進而清除駐留在 CPLD 中的主機接口寄存器。此操作將標記主機已發(fā)生軟重置。鎖存復(fù)位退出CPLD，對FPGA進行軟復(fù)位，并通過硬復(fù)位（MAX6315輸出）進行門控，以禁用（零）模擬輸出。采用SOT封裝的74x08柵極可在極低電壓下工作，確保復(fù)位在5V電源驟降時保持有效。由于模擬控制輸出已被禁用，主機現(xiàn)在可以在閑暇時決定該怎么做。它可以通過PCI接口重新啟動DSP，并在DSP準備就緒時通過清除閂鎖來移除軟復(fù)位?；蛘?，它可以重新啟動整個系統(tǒng)。

MEI使用三種標準監(jiān)控產(chǎn)品、一個通用的SOT23封裝門和最少的CPLD資源，實現(xiàn)了非常復(fù)雜的保護。該電路包括 16 個 SOT 封裝、<> 個小電阻、<> 個小電容器和一個 <> 引腳 μMax 封裝，尺寸僅為 SO-<> 封裝的一半。所需的總電路板空間與標準 <> 引腳 SO 和 <> 引腳 SO 封裝占用的總電路板空間大致相同。

微處理器監(jiān)控IC為當(dāng)今的大多數(shù)應(yīng)用提供了所需的保護，從最簡單的上電復(fù)位到復(fù)雜的多重監(jiān)控功能。為了最大限度地延長系統(tǒng)的正常運行時間，設(shè)計人員必須了解這些IC的功能、實用性和局限性。即使沒有單個部件包含特定應(yīng)用所需的所有功能，明智地使用較小的構(gòu)建塊組件也可以以最小的空間使用完成經(jīng)濟高效的工作。

審核編輯：郭婷