复位电路分析

广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020) 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax: 38730925 1 单片机复位电路的可靠性设计 一 概述 影响单片机系统运行稳定性的因素可大体分为外因和内因两部分 1. 外因 z 射频干扰 它是以空间电磁场的形式传递 在机器内部的导体 引线或零件引脚 感生出相应 的干扰 可通过电磁屏蔽和合理的布线/器件布局衰减该类干扰 z 电源线或电源内部产生的干扰 它是通过电源线或电源内的部件耦合或直接传导 可通过电源 滤波 隔离等措施来衰减该类干扰 2. 内因 z 振荡源的稳定性 主要由起振时间 频率稳定度和占空比稳定度决定 起振时间可由电路参数 整定 稳定度受振荡器类型 温度和电压等参数影响 z 复位电路的可靠性 二 复位电路的可靠性设计 1. 基本复位电路 复位电路的基本功能是 系统上电时提供复位信号 直至系统电源稳定后 撤销复位信号 为可靠起 见 电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号 以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影 响复位 图 1所示的 RC复位电路可以实现上述基本功能 图 3为其输入-输出特性 但解决不了电源毛刺 A 点 和电源缓慢下降 电池电压不足 等问题 而且调整 RC 常数改变延时会令驱动能力变差 左边 的电路为高电平复位有效 右边为低电平 Sm为手动复位开关 Ch可避免高频谐波对电路的干扰 R1 10K E1 22u VCC RST R1 10K E1 22u VCC /RST Sm Sm Ch 104 Ch 104 图 1 RC复位电路 图 2所示的复位电路增加了二极管 在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电 一定宽度的电源毛刺也 可令系统可靠复位 图 3所示复位电路输入输出特性图的下半部分是其特性 可与上半部比较增加放电回 路的效果 广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020) 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax: 38730925 2 R1 10K E1 22u VCC RST R1 10K E1 22u VCC /RST D1 4148 D1 4148Sm Sm Ch 104 Ch 104 图 2 增加放电回路的 RC复位电路 使用比较电路 不但可以解决电源毛刺造成系统不稳定 而且电源缓慢下降也能可靠复位 图 4是一 个实例 当 VCC x (R1/(R1+R2) ) = 0.7V时 Q1截止使系统复位 Q1的放大作用也能改善电路的 负载特性 但跳变门槛电压 Vt 受 VCC 影响是该电路的突出缺点 使用稳压二极管可使 Vt 基本不受 VCC影响 见图 5 当 VCC低于 Vt Vz 0.7V 时电路令系统复位 VCC 0V VCC 0V VCC 0V VCC 0V VCC 0V VCC /RST RST /RST RST 增加放电二极管 t=RC A 图 3 RC复位电路输入-输出特性 Q1 9012 R3 10K VCC R2 R1 /RST R3 10K VCC R1 R2 RST Q1 9013 Sm Sm Ch 104 Ch 104 图 4 带电压监控功能的复位电路 广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020) 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax: 38730925 3 Q? 9012 R3 10K VCC R1 100K R2 10K Z1 Vz /RST R3 10K VCC R1 100K R2 10K Z1 Vz RST Q? 9013 Sm Sm Ch 104 Ch 104 图 5 稳定门槛电压 Q1 9012 R2 10K VCC R1 100K Z1 Vz /RST D1 4148 C1 104 R2 10K VCC R1 100K Z1 Vz RST Q1 9013 D1 4148 C1 104 Sm Sm Ch 104 Ch 104 图 6 实用的复位监控电路 在此基础上 增加延时电容和放电二极管构成性能优良的复位电路 如图 6所示 调节 C1可调整延 时时间 调节 R1可调整负载特性 如图 7所示上半部分是图 5电路的特性 下半部分对应图 6 VCC Vt 0V VCC 0V VCC 0V VCC 0V VCC 0V VCC /RST RST /RST RST 增加延时电容 和放电二极管 t=RC 图 7 带电压监控功能的复位电路的输入-输出特性 2. 电源监控电路 上述的带电压监控的复位电路又叫电源监控电路 监控电路必须具备如下功能 z 上电复位 保障上电时能正确地启动系统 广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020) 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax: 38730925 4 z 掉电复位 当电源失效或电压降到某一电压值以下时 复位系统 市面上有类似的集成产品 如PHILIPS半导体公司生产的MAX809 MAX810 此类产品体积小 功 耗低 而且可选门槛电压 可保障系统在不同的异常条件下可靠地复位 防止系统失控 图8中的Rm和Sm 实现手动复位 无需该功能时可把Reset端 或/Reset端 直接与单片机的RST端 或/RST端 相连 最 大限度地简化外围电路 也可选择PHILIPS半导体公司带手动复位功能的产品MAX708 V CC 3 /Reset 2 G N D 1 U1 MAX809 V CC 3 Reset 2 G N D 1 U1 MAX810 Rm 10K Sm VCCVCC Rm 10K Sm RST /RST 图8 集成复位监控电路 此外 MAX708还可以监视第二个电源信号 为处理器提供电压跌落的预警功能 利用此功能 系统 可在电源跌落时到复位前执行某些安全操作 保存参数 发送警报信号或切换后备电池等 图9电的应用 实例 利用MAX708 电表可在电源毛刺或停电前把当前电度数保存到E2PROM中 再配合保存多个电度 数备份算法 可有效解决令工程师头疼E2PROM中的电度数掉失问题 使用该电路必须选择适当的预警电压点 以保证靠电源的储能供电情况下 VCC电压从预警电压跌到 复位电压的维持时间 tB 必须足够长 E2PROM的写周期约为10 20ms 一般取tB>200ms就可确保 数据稳定写入 预警电压调整 当VDC等于预警电压时调整R1和R2使PFI的电压为1.25V 此时可检 测/PFO来确认内部的电压比较器是否动作 调整时必须注意此比较器是窗口比较器 图10是该应用的程 序图 单片机 MR VCC PFI GND PFO RESET RESET RST /INTERRUPT VCC GNDSm MAX708 VCC 经滤波和稳压后的电源 VDC 未经滤波和 稳压的整流电源 R1 R2 图 9 MAX708的典型应用 广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020) 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax: 38730925 5 主程序 电压预警 VAlm=1VAlm=0 电度数变化 系统初始化� 开预警中断� 从E2PROM中 读电度数 调用 WirteE2PROM 其他功能模块 其他功能模块 Y N 预警中断 调用 WirteE2PROM VAlm=1 中断返回 WirteE2PROM VAlm=0 电度数写入 E2PROM 返回 N 关预警中断 开预警中断 图 10. 电表应用中 E2PROM数据保护程序流程图 3. 多功能电源监控电路 除上电复位和掉电复位外 很多监控电路集成了系统所需的功能 如 z 电源测控 供电电压出现异常时提供预警指示或中断请求信号 方便系统实现异常处理 z 数据保护 当电源或系统工作异常时 对数据进行必要的保护 如写保护 数据备份或切换后备 电池 z 看门狗定时器 当系统程序 跑飞 或 死锁 时 复位系统 z 其它的功能 如温度测控 短路测试等等 广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020) 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax: 38730925 6 我们把其称作多功能电源监控电路 下面介绍两款特别适合在工控 安防 金融行业中广泛应用多功 能的监控电路 Catalyst公司的 CAT1161是一个集成了开门狗 电压监控和复位电路的 16K位 E2PROM I2C接 口 不但集成度高 功耗低 E2PROM部分静态时真正实现零功耗 而且清看门狗是通过改变 SDA的 电平实现的 节省系统 I/O资源 其门槛电压可通过编程器修改 该修改范围覆盖绝大多数应用 当电源 下降到门槛电压以下时 硬件禁止访问 E2PROM 确保数据安全 使用时注意的是 RST /RST 引脚是 I/O 脚 CAT1161 检测到两引脚中任何一个电压异常都会产生 复位信号 与 RST /RST 引脚相连的下拉电阻 R2 和上拉电阻 R1 必须同时连接 否则 CAT1161将不断产生复位 同样不需要手动复位功能时可节省 Rm和 Sm两个元件 DC1 /RST2 WP3 GND4 SDA 5 VCC 8 SCL 6 RST 7 U1 CAT1161 R2 10K R1 10K VCC RSTRm 10K Sm DC1 /RST2 WP3 GND4 SDA 5 VCC 8 SCL 6 RST 7 U1 CAT1161 R2 10K R1 10K VCC /RST Rm 10K Sm 图 11. 内置WDT RESET /RESET E2PROM监控器件接口电路 PHILIPS 公司的 SA56600-42 被设计用在电源电压降低或断电时作保护微电脑系统中 SRAM 的数 据 当电源电压下降到通常值 4.2V时 输出 CS变为逻辑低电平 把 CE也拉低 从而禁止对 SRAM的 操作 同时 产生一个低电平有效的复位信号 供系统使用 如果电源电压继续下降 到达通常值 3.3V 或更低时 SA56600-42切换系统操作 从主电源供电切换到后备锂电池供电 当主电源恢复正常 电压 上升至 3.3V或更高时 将 SRAM的供电电源将由后备锂电池切换回主电源 当主电源上升至大于典型值 4.2V 时 输出 CS 变为逻辑高电平 使 CE 变为高电平 使能 SRAM 的操作 复位信号一直持续到系统 恢复正常操作为止 在系统电源电压不足或突然断电的时候 这个器件能可靠地保护系统在 SRAM内的数 据 LITHIUM BATTER Y R VDD VCC RPU 2 4 VBA TT CE GND 3 CS 5 CS SA56600-42 SRAM 6 VOUT 7 Y 4.2 V DETECTION CITCUIT 3.3 V DETECTION CITCUIT 8VCC ND 1 RESET 图 12. 内置 SRAM数据保护电路的监控器件 SA56600-42的典型应用 广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020) 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax: 38730925 7 4. ARM单片机的复位电路设计 无论在移动电话 高端手持仪器还是嵌入式系统 32位单片机 ARM占据越来越多的份额 ARM已 成为事实的高端产品工业 由于 ARM 高速 低功耗 低工作电压导致其噪声容限低 这是对数字电 路极限的挑战 对电源的纹波 瞬态响应性能 时钟源的稳定度 电源监控可靠性等诸多方面也提出了更 高的要求 ARM监控技术是复杂并且非常重要的 分立元件实现的监控电路 受温度 湿度 压力等外界的影响大而且对不同元件影响不一致 较大板 面积 过多过长的引脚容易引入射频干扰 功耗大也是很多应用难以接受 而集成电路能很好的解决此类 问题 目前也有不少微处理器中集成监控电路 处于制造成本和工艺技术原因 此类监控电路大多数是用 低电压 CMOS工艺实现的 比起用高电压 高线性度的双极工艺制造的专用监控电路 性能还有一段差距 结论是 使用 ARM而不用专用监控电路 可能导致得不偿失 经验也告诉我们使用专用监控电路可 以避免很多离奇古怪的问题 ARM的应用工程师 切记少走弯路 1 2 3 U2A 74HC125 4 5 6 U2B 74HC125 R2 10K R3 10K VDD3.3 VDD3.3 /RST TRST VDD3.3 R1 10K Sm RST 1 RST 2 MR3 VCC 4 GND5 PFI6 PFO 7 NC8 U1 MAX708S 图 13. 用 PHILIPS MAX708实现的 ARM复位电路 图 13是实用可靠的 ARM复位电路 ARM内核的工作电压较低 R1可保证电压低于 MAX708的工 作电源还能可靠复位 其中 TRST 信号是给 JTAG 接口用的 使用 HC125 可实现多种复位源对 ARM 复 位 如通过 PC机串口或 JTAG接口复位 ARM 广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020) 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax: 38730925 8 三 电源监控器件的选型 型号 电平 复位 手动复 位输入 典型复 位脉宽 (ms) 复位输 出方式 复位门限(V) 电压 预警 看门狗超 时周期(S) 备用电池 切换电压 写保护 输出 E2P ROM 最大工 作电流 封装 参考 零售价 SA56600-42 低 开集 4.2 3.3V 高和低 2.2mA SO8 5.50 NE56604-42 高和低 有 100 弱上拉 默认 4.2 外部可调 0.1 1mA SO8 7.50 NE56604-42 高和低 有 100 弱上拉 默认 4.2 外部可调 0.01 1mA SO8 7.50 CAT1161 高和低 210 开漏 数 字 可 调 2.2/2.8/3/4.2/4.8 1.6 内部 保护 16 Kbit 50uA DIP8,SO8 5.50 MAX708R /S/T 高和低 有 200 开集 2.63/2.93/3.08 有 500uA SO8, TSSOP8 5.50 MAX809Z /R/S/T/J/M/L 低 240 推挽 2.32/2.93/3.08/4. 00 4.38/4.63 100uA 50uA SOT23 2.30 MAX810Z /R/S/T/J/M/L 高 240 推挽 2.32/2.93/3.08/4. 00 4.38/4.63 100uA 50uA SOT23 2.30 IMP809R /S/T/J/M/L 低 240 推挽 2.93/3.08/4.00 4.38/4.63 25uA 10uA SOT23 2.30 MAX810Z /R/S/T/J/M/L 高 240 推挽 2.32/2.93/3.08/4. 00 4.38/4.63 25uA 10uA SOT23 2.30 HT70XX 低 开漏 2.2/2.4/2.7/3.3 /3.9/4.4/5.0 7uA TO92, SOT89 1.30 器件期间的详细资料请访问 http://www.zlgmcu.com/philips/philips-power.asp 市场价请查阅 PHILIPS半导体栏目下的邮购价