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小尺寸、高可靠性的新型μP监控芯片 Maxim公司Larry Barnes 摘要介绍Maxim公司新型小尺寸、高可靠性的μP监控芯片。讲述其上电复位电路、手动复位、电压失效和低电压指示,电池备份和片选使能,看门狗定时芯片及多电源应用。现代监控器可保障系统正确上电,不会丢失和破坏数据,不会意外死锁。 关键词μP监控复位看门狗多电源 微处理器系统的设计常常面临供电电源上电次序不对、上电慢、稳定慢、外部负载引起供电电压有毛刺、系统电池失效等一系列问题。为保证系统正常工作,要求微处理器系统上电时能够正确启动,自动检测系统已经或即将发生的错误,减少故障造成的影响,并在无人干预或少量干预的情况下,系统能自动恢复正常。 现代μP监控芯片是监控和维护这些系统运行的低价、有效的方法。应用近几年来发展的技术,监控芯片给微处理器系统提供了所需的一切保障。它们具有低功耗、低价、多功能和小封装的特性。 一、 上电复位 图1阻容复位延时电路传统的上电复位电路是在处理器的复位输入端用阻容低通滤波器延时产生复位信号,如图1所示。这种方法存在几个问题：① 当供电电压上升时间比处理器的复位时间还长时,由于上升速率慢,电容电压紧随VCC变化,结果,处理器的复位输入电压在VCC达到正常前到达有效高电平VIH。电源电压为3.3(1±01)V时,在VCC > 2.97V以前不应完成复位过程。然而,对系统而言,可能已达到最小的高电平门限2.31V（大多数处理器是0.7VCC）,此时电源还远未达到使处理器工作的电压,即在供电电压还低于正常工作电压20%时处理器已经启动。② 过长的复位延迟时间使处理器复位输入端的电压上升速率很慢。复位逻辑输入通常使用数字信号输入,快速从VIL变到VIH;而被延迟的复位电压,其压摆率较低,可能无法驱动处理器的数字输入,导致复位处于亚稳态。在RC滤波器和处理器之间放置1个史密特触发器,能显著提高上升速率;但这需要考虑触发器自身的上电。除此之外,还额外增加了费用和电路板面积。 用SOT23封装的MAX6332~MAX6334和用SC70封装的MAX809/MAX810/MAX813等集成复位电路很容易解决RC电路所面临的问题。现代复位芯片把精确的电压监视和准确的时序电路集成在一起,能够监测电压是否处于处理器的供电容限内,并提供了可靠的复位延时。 典型的复位芯片电路如图2所示,它由参考电压、电压比较器、电源分压电阻网络、固定延时电路和输出驱动级组成。电阻网络可由生产商针对很宽的电源容限预先调整,使用户能针对不同的应用选择特定图2集成复位电路的复位门限。复位芯片的电压监测器监测电源是否处于允许的容限内。输出逻辑电路相对独立,与处理器的高低逻辑电平无关。 上电复位期间,内部的电压比较器仅当供电电压超过所选的门限一定时间后启动延时电路,延时器提供了处理器所需的1ms~1s的复位时间。在复位时间内,输出级维持在复位状态;复位超时后,各种逻辑输出电路能够快速驱动处理器退出复位状态进入正常操作状态。大多数复位芯片的电压监测器监测供电电压是否降到处理器容限以下,无论是上电时电源波动、电源出现大的毛刺,还是掉电或关断电源期间,都可以触发复位。 二、 手动复位 给简单复位电路增加手动复位功能非常有用。手动复位允许用户或外部系统元件来触发微处理器复位。如果处理器由于一些不明因素死锁时,手动复位可以在不关断电源的条件下重新启动。这个功能对一些不间断控制产品尤其重要,对系统调试也很有用。手动复位通常用廉价的按钮开关来产生。MAX6335~MAX6337系列复位器件通常都包括输入去抖动电路,消除开关所引起的抖动。由于开关可能离处理器很远（经常位于背板,藏在电池或供电箱里）,高性能手动复位电路允许长线输入,可抑制耦合噪声脉冲（典型值是100ns）的影响。 目前一些微处理器集成了上电复位电路和电源管理功能。虽然这些嵌入式复位电路比RC延时方法要好,但是,μP的IC工艺是针对高速和低功耗数字电路性能优化的,而不是精确和可靠的模拟测量和定时。因此,内部复位虽然能在正常操作情况下提供合理的上电时序,但不能胜任可能引起处理器故障的电压过渡过程和掉电。在高可靠性系统中,大多数处理器提供附加的复位输入,以便外部复位监控芯片使用。 三、 电压失效和低电压指示 很多系统即使在完全失去供电电源和微处理器失效后仍不能丢失数据。供电电压造成的硬复位使处理器丢掉了内部寄存器中的所有信息。系统可以通过把数据保存于非易失存储器中来减少潜在的数据丢失;但是这种方法降低了处理器的效能,增加了快擦写或EEPROM存储器的写负担。SOT23封装的MAX6342~MAX6345监控芯片提供了一个改进的方法：用电源失效或低电压指示使处理器预先知道供电电压正在下降,使处理器在系统复位前把数据保存在非易失性存储器中,如图3所示。 图3电源失效/欠压指示四、 电池备份和片选使能 当系统没有时间把大量的数据传送到非易失性存储器中时,电池备份是一个替代的选择,如图4所示。为了适应双路供电的要求,SOT23封装的MAX6361/MAX6363/MAX6364具有两个电源输入端：一个输入接主电源;另一个输入接电池。当供电电压足够维持易失性RAM工作时,内部开关把监控芯片的电压输出连接到VCC。当VCC跌落到某一特定的门限以下时,监控芯片产生复位信号给微处理器禁止它对存储器的写操作。如果VCC低到不能维持RAM内的内容时,监控芯片把RAM的供电电源从VCC切换到备份电池。存储器用很低的维持电流就可长时间保存数据,直到系统VCC重新回到正常的工作电压。需要的话,同样的电池备份方法还可以维持实时时钟和某些处理器动作。 图4电池备份五、看门狗定时器 即使是精心设计好的系统,也摆脱不了除电源波动外的其他一些故障,如错误代码、不正确的时钟信号或响应不良的外设,都会使处理器脱离正确的操作代码或进入死循环。当处理器脱离正常的指令流程时,无法判断自身所处的工作状态并重新启动。为了解决这个问题,许多监控芯片IC（如工业标准MAX823和新一代的MAX6316~MAX6318）内置了1个看门狗定时器,作为保证处理器执行正确代码的廉价解决办法。此方案要求处理器不断地定时刷新看门狗逻辑输入,否则监控芯片就产生系统报警。 通常看门狗的工业标准定时周期是1.6s,供应商提供了从1ms~1min的各种选择。因为看门狗刷新消耗了总处理器周期,因此,当选择看门狗周期时应确认系统在重新复位前所允许的时间。一些器件在进入正常的1.6s定时刷新工作模式以前允许有更长的启动时间（比如1min）。该功能使系统在启动时能执行很长的启动过程,然后再转入快速、常规的看门狗刷新。 看门狗输出有时会连接到处理器的非屏蔽输入端,使处理器在不丢失易失性存储器里数据的情况下返回正常操作,如果检测到任何错误都要全部初始化系统。看门狗输出通常与上电复位/掉电监测输出合并在一起。 现在许多微处理器提供1个内部的看门狗定时器来监视其内部状态。由于看门狗仅是处理器的附加特性,通常它提供了可编程的时间周期和关断选择,处理器也能用软件来修改看门狗的监视功能。然而,由于软件看门狗和处理器用同一电源和时钟来工作,它和处理器一样避免不了瞬态错误。因此,高可靠性系统都有1个独立的看门狗,它每时每刻都保证了处理器的正确输入。 六、 多电源应用 新型处理器和许多其他系统要求多种供电电压。多电压供电在高速、小体积数字信号处理器中特别明显,它们可能用3.3V的标准系统I/O电压输入输出,核心逻辑却工作在2.5V或更低的电压上。这些器件通常要求两种电压都处于处理器的容限内时才释放上电复位。同样,一个复杂的接收机系统可能有4~5种供电电压（比如12V,5V,-5V,3.3V和2.5V）来给各种各样的模拟和数字元件供电。这些电压中的任何一个欠压都会导致系统故障。 简单的RC网络不能同时监视多种电源,而只提供单一的有效逻辑电平用于系统复位。制造商曾经用多级电源失效/复位监测器或把几个单电源复位器件输出并联,来建立多电压监视电路。这样,任一个电压低于特定的容限时都延迟了处理器复位状态的释放。 新型监控芯片在单片结构里支持多电压监视,电路如图5所示。MAX6351~MAX6360系列,就是为双电压或三电压应用而设计的,它提供了几种工厂预置的标准复位门限供选择（比如与供电电压3.3V和2.5V有关的那图5多电压复位监测些）,一个可调整的监测器允许用户监视第3路电压（如5V模拟外设）,当所有电压处于正常容限内时才允许处理器启动。现代封装和制造工艺使Maxim能把具有长启动时间的看门狗定时器、手动复位输入和其他一些额外的功能一起集成到一个多电压SOT23封装的复位监控芯片中。 随着处理器集成工艺的提高,其性能越来越高,工作电压越来越低。如果目前处理器的供电电压±5%和±10%的容限保持不变,设计人员将需要更高精度的电压监测器来替代分立元件方案。老式的5V复位结构,虽然曾成功地监控最大电源偏差-250mV,却不能支持新的1.2V监视器的-60mV低压限制。由于许多低压系统须要支持一系列双电压器件和变化较慢的传统供电器件,用于保证正确工作的多电压监控的需求正变得越来越紧迫。 整合监控器和其他微处理器周边器件的新型集成电路正在涌现。如果需要1个外部芯片给处理器提供电源或输入输出,把它们集成在一起,可以减小电路板面积,降低功耗,降低价格。现在与监控器集成在一起的主要功能有低压差稳压器、DC/DC变换器、非易失性存储器和实时时钟。 七、 结论 好的微处理器监控芯片的设计和应用使用户从来觉察不到它们工作在系统中。这些系统总是正确上电,从不丢失和破坏数据,从不意外死锁。系统设计人员意识到现代监控芯片是保证产品可靠工作的廉价方案。监控芯片还缩短了产品上市的时间,减少了现场问题、客户服务和故障返修。有了各种各样小尺寸的SOT23和SC70封装的产品,可以优化一个要求低功耗、低电压、多供电电压和低价格的应用系统而不损失它的性能。MES
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