高可靠性掉電保護電路設計

摘要提出掉電保護與系統復位同時作用，實現高度可靠的掉電保護電路的設計原理。介紹了ADM691微處理器監控電路特性及其構成的掉電保護電路。

關鍵詞微處理器監控電路掉電保護

1問題的提出

在智能儀表及過程控制中常常要用掉電保護電路以長時間保存實時參數。通常可采用E²PROM、FLASH MEMORY以及以隨機存儲器為基礎內置電池的非易失性芯片來實現。E²PROM、FLASH MEMORY屬于可在線修改的ROM器件，它解決了應用系統中實時參數掉電后長時間保存的難題，但這類芯片寫入速度慢，一般為毫秒級，擦寫次數有限，一般為萬次級，有些器件擦寫次數能達到百萬次，但對某些應用系統而言，其寫入次數仍然是有限的。因此這類芯片只能用在需要保護的數據量小且寫入不頻繁的系統中。對那些需要大容量高速反復保存實時參數的應用系統，只能用隨機存儲器RAM加掉電保護電路來實現。掉電保護電路一般由低功耗的CMOS-RAM、供電電路及控制電路組成。供電電路保證在系統正常時由電源給RAM供電，系統掉電時自動轉換到由備用電池給RAM供電；控制電路保證在電源供電時RAM正常讀寫，電池供電時RAM處于保護狀態，特別要防止在系統上電/掉電過程中的瞬間干擾信號對RAM芯片的寫入而改變RAM中的數據。基于RAM的掉電保護電路既具有RAM的高速寫入、寫入次數無限制的特點，又能象ROM那樣長時間保存數據，因此得到了廣泛的應用。實現上述原理的掉電保護方法很多，某些廠商甚至以RAM為基礎內置電池，開發出了自掉電保護芯片。用這類單獨的掉電保護芯片或電路構成的應用系統，在實際應用中有時出現工作不穩定現象。經分析發現：若系統電源的變化使RAM先處于保護狀態，而系統尚未復位，微處理器正常工作，此時對RAM進行讀寫操作，因其已處于保護狀態，必定發生數據讀不出寫不進的現象，引發系統故障。對于這種微處理器復位電平與掉電保護電平不一致而影響系統正常工作的問題，我們提出了用微處理器監控電路把系統復位與掉電保護聯系在一起的解決方案。系統復位時存儲器處于保護狀態，系統工作時存儲器處于可以正常讀寫，從而有效地解決了上述問題。下面介紹利用ADM691微處理器監控電路按上述原理實現的高可靠性的掉電保護電路。

2ADM691芯片介紹

ADM691是AD公司生產的一種高性能微處理器電源監視電路，其功能包括微處理器復位，備用電池切換，看門狗電路，CMOS-RAM寫入保護及電源故障告警等。

2.1芯片主要特點

精確的4.65V監控；
上電、掉電、不正常低壓供電產生復位輸出；
100ms，1.6s 或可調看門狗計時器；
１μA待機電流；
備用電池電源切換；
芯片使能信號的在線選通；
電源故障報警。

2.2芯片引腳及功能

ADM691為16腳DIP和SO封裝，引腳如圖１所示。各引腳功能如下：

（1）V_BATT備份電池輸入；

圖1ADM691引腳

（3）V_CC輸入電源電壓+5V；

（2）V_OUT輸出電源電壓。當大于V_BATT且高于復位門限值時，V_OUT接到V_CC；當V_CC低于V_BATT且低于復位門限時V_OUT接到V_BATT；

（4）GND地；

（5）BATTON電池接通輸出。當V_OUT接到V_BATT時為高；

（6）電源故障輸出。V_CC降到復位門限以下時，變低，這個輸出可用來產生一個不可屏蔽的電源故障中斷；

（7）OSCIN外部復位和看門狗時鐘輸入。OSC SET接低電平時調節復位和看門狗時間，OSC SET浮空時OSCIN亦浮空，使復位時間為50ms，看門狗時間為1.6s；

（8）OSCSET內外時鐘選擇；

（9）PFI電源故障輸入。當輸入小于1.3V時，變低。

（10）電源故障輸出。選擇適當的電阻將V_CC分壓送入PFI，使V_CC降到4.8V（高于復位電平150mV）時產生低跳變，觸發非屏蔽中斷，可以利用V_CC降到復位電平4.65V之前的這段時間，保存一些必要的參數；
（11）WDI看門狗觸發輸入。WDI保持不變，時間超過設定時間，則變低,復位有效,利用此功能可有效防止系統死機,增強抗干擾能力。

（12）RAM芯片使能輸出。在有效期間，保持高電平，以禁止對RAM的選通；無效期間,復制，保證對RAM的正常讀寫；

（13）RAM芯片片選輸入。μP產生的使能信號先接，經復制后再接RAM的片選，以保證系統正常工作時對RAM的正常讀寫，在復位期間禁止對RAM的操作，保護RAM中的數據；

（14）看門狗輸出。WDI電平保持不變超過設定時間，將輸出低電平；

（15）負復位輸出。當V_CC下降至復位門限電壓（4.65V）以下，有效時，輸出低電平；當V_CC由低電平上升至高于復位門限電平，還將保持低電平50ms。在有效期間，一直為高電平；
（16）RESET正復位輸出。

2.3ADM691復位時序

ADM691的復位時序如圖2所示。

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圖2ADM691復位時序

3掉電保護電路設計

3.1硬件設計

圖3給出了MCS-51單片機應用系統中ADM691與76C88組成的掉電保護電路原理圖。

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圖3MCS-51系統掉電保護電路原理圖

76C88是CMOS型的RAM芯片，其容量為8Kbit，它有兩個片選端和CS2，只有為低電平同時CS2為高電平時才能對它進行操作。因此將CS2接ADM691的輸出端，同時寫允許信號通過ADM691的使能控制輸入端和輸出端，間接從MCS-51的引入，保證在系統復位期間不能讀寫，有效地保護了76C88中的數據。結合圖2ADM691的復位時序，圖3的電路工作原理分析如下：

上電過程：當Vcc從0V上升到復位門限4.65V時，輸出仍將維持有效電平50ms，以保證電源電壓正常后系統的有效復位。有效期間76C88的CS2處于低電平，即片選信號無效，保證上電過程中片內數據不被改寫。當V_CC大于V_BATT時，V_OUT自動切換到與V_CC相接，76C88轉由V_CC供電。

正常工作：在此狀態下，CS2為高電平，通過ADM691的使能電路復制，系統能對76C88進行讀寫操作。為提高系統的可靠性，在應用程序中插入看門狗觸發指令，即P1.7的置位/復位指令，當程序正常執行時經常觸發WDI。在程序“跑飛”超過1.6s不能觸發看門狗時，RESET變高使系統復位。在此期間V_CC通過二極管D₁、電阻R₁給后備電池充電。

掉電過程：當V_CC從正常電壓下降到復位門限4.65V時，立即有效，CS2變成低電平，76C88進入保護狀態。保證掉電過程中片內數據不被改寫。當V_CC小于V_BATT時，V_OUT自動切換到與V_BATT相接，76C88轉由后備電池供電。

對多數應用系統，上電復位后程序從頭開始即能滿足要求，但對某些系統如由多道工序組成的流水線控制系統，突然停電后再來電時應接著原來的工序往下執行，這就要求計算機記錄停電瞬間的系統參數，重新來電時根據記錄的參數繼續往下執行。利用ADM691的電源報警功能，能方便地達到這一目的。分析圖3可知適當調節R₄，當V_CC下降到4.80V時，產生負跳變，向單片機發中斷請求，V_CC從4.8V降到4.65V有幾個毫秒的時間，足夠單片機執行幾百條甚至上千條指令，利用這段時間在中斷服務程序中保護斷點及實時參數。重新來電后轉返斷點繼續執行。

3.2軟件設計

圖3所示單片機系統的軟件可分成主程序和電源報警中斷服務程序兩部分。主程序中必須插入指令經常觸發WDI，且間隔時間不能超過1.6s，報警中斷必須設置為非屏蔽中斷，MCS-51無，可以將設置成唯一的一個高級中斷以替代。程序流程圖如圖4所示。