單雙電源處理器上電復位功能及門限電壓的選擇

　　摘要：本文討論用于單電源或雙電源處理器的上電復位功能和門限電壓的選擇策略，另外，還探討了手動復位、電源失效和低電壓檢測等功能。文中闡述了避免使用分立POR和處理器內部POR的原因，并解釋了順序供電、電壓跟蹤和順序復位等。

　　上電復位(POR)的任務之一是確保電源剛被打開時，處理器從一個已知的地址開始運行。為此，POR邏輯輸出在處理器電源剛被打開時將處理器鎖定在復位態(tài)。POR的第二個任務是，在以下三件事情完成以前，阻止處理器從已知地址開始運行：系統(tǒng)電源已穩(wěn)定在適當的水平;處理器的時鐘已經建立;以及內部寄存器已經正確裝載。POR完成這第二個任務的手段是片上定時器，它繼續(xù)在一個預定的時間間隔內保持處理器處于復位態(tài)。這個定時器在處理器電源到達規(guī)定的電壓門限后觸發(fā)，設定時間走完后，定時器終止，并促使POR輸出變?yōu)闊o效，處理器脫離復位態(tài)并開始運行(圖1)。處理器的數據資料會給出所需要的定時器延遲間隔。順便提一下，這個定時器正是POR和一般電壓監(jiān)測器的區(qū)別所在，后者也能以一定的電壓門限監(jiān)視電壓，但不具備定時功能。

　　圖1. POR保持處理器處于復位狀態(tài)，直到電源電壓超過POR門限，并且經過了一個規(guī)定延時。

　　POR良好的抗噪聲干擾能力在監(jiān)視處理器時也是必需的，這也是它和電壓監(jiān)視器的不同之處。當有一個小而快的干擾出現在電源上時POR不應發(fā)出復位，因為這種干擾并不會影響處理器的工作。但是，比較長的小干擾和短的或長的大幅度干擾都會給處理器造成問題。因此，最好的方法是采用一種POR，它可以同時監(jiān)視進入電源電壓的干擾的幅度和持續(xù)時間，并以此來決定是否發(fā)出復位。最終目標是真實反映處理器自身的行為，只在需要的時候發(fā)出復位，而在處理器正常工作的時候不應該去復位它。圖2是一條摘自MAX6381/MAX6382數據資料的曲線，它描述了能夠觸發(fā)復位的電源電壓上的干擾幅度/間隔。這條曲線說明，MAX6381/MAX6382在監(jiān)視到電源電壓低于規(guī)定門限100mV的持續(xù)時間至少到10ms才會觸發(fā)復位。

　　圖2. POR是否產生復位與干擾的幅度和持續(xù)時間有關。

　　一旦電源電壓回到門限以上，POR定時器只在一個預定的間隔之后才會撤消復位信號。

　　有些處理器提供雙向復位引腳—不僅可以通過該引腳接收復位信號，并且還可以通過它發(fā)送復位。粗看起來，一個具有開漏輸出的POR似乎可以滿足這種條件。然而，還有其他問題，因為處理器必須確定是它自己，還是外部器件發(fā)出的復位。有必要采用一個專為此條件配置的POR(參見MAX6314數據資料)。

　　確定POR門限電壓—單電源處理器

　　如何確定正確的POR門限電平，以及對于該電平精度的要求，常常沒有被正確地認識。為了使設計者對于這項任務的細節(jié)有一個更清晰的了解，我們以一個處理器為例來說明這個問題，假定該處理器保證正確工作于3.3V ±0.3V電源―更明確地講，也就是從3.00V到3.60V。在選擇電壓門限時，設計者應遵循下面兩種策略之一。

　　策略之一是確保3.3V電源有足夠的準確度，為此可以選擇一個POR，它的門限加容差完全位于±0.3V范圍以內。在此情況下，POR門限位于電源范圍的低端(±3%)和處理器允許電壓范圍的低端之間(圖3a)。基于此策略，POR在電源電壓處于容差以內的時候不會發(fā)出復位。但是，當電源電壓跌落到容差以下，而仍然維持在處理器保證正確工作的范圍以內時，POR就會發(fā)出復位信號。這樣可以確保在處理器發(fā)生錯誤操作之前(因電壓跌落到保證工作范圍以下)發(fā)出復位。

　　圖3. 當電源電壓低于規(guī)定的電壓范圍而高于處理器的允許電壓范圍的底線時，為了確保處理器復位，可按圖3a選擇POR門限。然而，選擇一個門限電壓低于處理器允許范圍的POR (圖3b)，則只要電源電壓在此范圍內就不會觸發(fā)復位，并允許采用一個更粗容差的電源。

　　根據這個策略，合適的POR選擇之一是MAX6381中的一個型號，這個型號在整個溫度范圍內具有3.00V至3.15V的門限范圍(圖3a)。采用了這種POR，一旦電源跌落到其規(guī)定電壓范圍以下，處理器就會復位，而此時的電源尚未跌落到處理器的規(guī)定電壓范圍以下。另外，由于門限范圍的上限為3.15V，當電源位于其允許范圍以內時不會發(fā)生復位。然而，將電源接入處理器時，由于連接器和電路板走線上的電壓降，可能會使處理器上的電壓降到3.15V以下。這種情況下，盡管電源電壓仍在規(guī)定范圍以內，復位仍有可能發(fā)生。這時，就有必要選用容差更小的電源或容差更小的POR門限，或兩者兼之。

　　這種設計方法對于電源上的干擾或噪聲更為敏感，因為電源電壓可能會非常接近于POR門限(取決于POR門限和電源電壓分別位于它們的容差范圍內的位置)。因此，該方法適用于干擾和噪聲很小，且電源容差小的系統(tǒng)。

　　有些設計者在選擇POR門限時會采納第二種不同的策略。他們采用門限低于處理器保證工作電壓(本例中為3.00V)的POR。這就允許處理器工作于允許范圍以內的任何電壓下，而不會遭遇復位。它還允許更寬松的電源容差。這些設計者輕松地假定，在上電期間，電源會連續(xù)地上升到POR門限以上，并穩(wěn)定在規(guī)定范圍內的電壓上(本例中為3.20V至3.40V)。并且預期這些會在POR定時器遠未計滿之前就早早發(fā)生。很多時候，設計者利用有些電源提供的power-OK信號來確定電源是否工作于規(guī)定范圍以內。

　　這些設計者沒有考慮電網欠壓情況的影響。如果發(fā)生電網欠壓，處理器可能會工作在一個低于其最低保證工作電壓的電源下，但暫時仍然在POR門限以上(低于它POR就會發(fā)出復位)。當在這樣的電源電壓范圍內工作時，處理器可能會發(fā)生錯誤操作。

　　不同于在處理器允許的電源電壓范圍內選擇的門限，第二種方法更適合于那些可能存在較大干擾和噪聲的系統(tǒng)。因為POR門限和電源電壓分開的比較遠。正如前面已提到的，這種方法也允許更寬的電源容差。

　　MAX6381中整個溫度范圍內門限范圍在2.85V至3.0V的型號可用于此種設計，因為門限低于處理器允許電壓范圍的底線(圖3b)。此時還可以使用一個比圖3中容差更寬的電源。

　　有時候，設計者會將電源的額定電壓設置在靠近處理器允許范圍的底線處，目的是降低功率消耗。這種做法很有效，因為功率消耗正比于電源電壓的平方。假定處理器允許電壓范圍為3.0V至3.6V，3.15V ±2%的電源是可取的，如果在連接電源到處理器的通路上，在連接器和導線上沒有顯著的電壓降的話。如果噪聲電平足夠低，不會引起錯誤觸發(fā)的話，門限電壓在2.85V至3.0V范圍的MAX6381 POR是一個合適的選擇。

　　確定POR門限電壓—雙電源處理器

　　除了3.3V電源，如果處理器還需要另一路電源(例如一個1.8V核電源)，這種設計可能就需要能夠監(jiān)視兩路電壓的POR了。這種類型的POR只有在兩路電源都超過了POR的兩個對應的門限，并且規(guī)定的延時周期已經過去以后才會撤消復位。可同時監(jiān)視兩路、三路和四路電壓的POR都可找到。

　　同樣的選擇方法適用于多電源或單電源的監(jiān)視。對于雙電源的情況(例如3.3V和1.8V)，設計者可以選擇POR的兩個門限都高于或低于處理器的最低保證工作電壓。同樣，設計者也可以使監(jiān)視3.3V I/O電源的門限低于保證工作電壓，而使用于1.8V核電源的另一個門限在保證工作電壓之上。很多設計者優(yōu)選后一種策略，因為很多時候處理器內核比起I/O來，對于電源電壓低落所造成的問題更為敏感。

　　內核電源電壓始終在隨著時間的推移而降低，因此降低POR門限電壓成為必須。MAX6736系列中的器件無需外接電阻可提供低至788mV的門限，加上外接電阻還可低至488mV。這種門限電壓足以監(jiān)視最先進的內核電源。

　　對于低成本系統(tǒng)，很多電路設計者選擇只監(jiān)視3.3V電源，如果1.8V電源是由它得到的話。他們認為如果3.3V電源到達正常電壓的話，1.8V電源也會。對于要求較高可靠性的系統(tǒng)，設計者通常是選擇監(jiān)視兩路電源。

　　手動復位

　　有時候，當電源電壓仍在容差以內，而用手動方式去觸發(fā)一次復位也很有用。這項功能不僅被用于調試和最終測試，當處理器鎖定時這個功能也很有用—它使處理器重新啟動，而不必關掉電源。這種功能對于那些處理器永不掉電的產品尤其有用。它還被通用于那些不關掉處理器電源，只是喚醒/掛起處理器的on/off開關中。

　　盡管來自于I/O線的邏輯信號、看門狗定時器或電源失效輸出常被用于觸發(fā)手動復位，按鈕開關經常也被用來觸發(fā)手動復位。被按下時，這種類型的開關通常會有反彈，打開、閉合很多次方可穩(wěn)定下來。所以，大多數手動復位輸入都包含有去抖動電路，對按鈕開關引起的振鈴不響應。

　　分立的POR和處理器內置的POR

　　使用由電阻和電容構成的分立式POR (圖4a)是一種比較危險的做法。這種POR輸出緩慢的上升和下降時間會給許多處理器帶來問題—尤其是那些復位輸入中沒有包含施密特觸發(fā)器以及具有雙向復位引腳的處理器。增加一個施密特觸發(fā)器對于前一種情況有效，但也帶來了成本、空間和啟動問題。

　　圖4. 分立式R/C POR (圖4a)對于多數應用來講沒有足夠的可靠性。有些情況下，增加一個二極管(圖4b)可糾正電源快速循環(huán)的問題，并改善電路性能。

　　當電源上電時，如果上升時間相對于POR時間常數比較緩慢時，此時采用分立式POR會產生另一個問題。處理器可能會在電源沒有穩(wěn)定之前就脫離復位態(tài)。為防止出現這個問題，R/C電路的時間常數需要增加。另外，有些具有內置POR的處理器制造商也建議，如果上電速度緩慢，要在復位輸入端增加一個R/C (再加一個二極管，如下所述)。

　　如果電源在上電后遭遇一次干擾，R/C電路會將這個干擾濾掉，這樣就阻止了復位的發(fā)生。而且，如果電源下跌，處理器復位引腳上的電壓仍會高于其VIH，使復位無法產生。這種情況甚至有可能發(fā)生在電源跌至處理器最低保證工作電壓以下的時候。這是因為復位引腳的VIH通常低于處理器的最低保證工作電壓。如果電源被關掉然后又迅速打開又會引發(fā)另外一個問題—再次上電之前電容器可能沒有足夠的時間放電。

　　增加一個二極管(圖4b)，R/C電路有可能響應干擾，一旦有干擾出現，二極管會迅速對電容放電。干擾必須足夠大才可將復位引腳上的電壓拉低到VIL (最小)。此外，前面所提到的不含二極管R/C電路的問題仍會困擾該電路。不過，很多時候，二極管的確能夠解決電源迅速關斷-打開所產生的問題。

　　采用集成的POR在多數設備中能夠解決多數問題，這種器件不會產生前面所述的那些問題。

　　使用處理器集成的POR也會產生一些困難。這種POR經常會遭遇精度差和較低電壓下出現的一些問題。而且，許多內部POR被設定為只在上電時提供復位，而在電網欠壓期間，電源電壓的輕微跌落不會引發(fā)復位。有些制造商建議增加分立電路來適應這種情況。

　　最后，對于內部POR，在多組電源供電的系統(tǒng)中還會有另外的問題。例如，你可能會遭遇這樣的問題，內部POR的延時適合于自身的處理器，但卻不能適應上電更慢的外部電路(例如存儲器)。這種情況下，解決方案之一是，采用一個同時監(jiān)視處理器和外部電路電源，具有更長延遲時間的外部POR。

　　電源失效和欠壓信號

　　包含電源失效或欠壓信號的監(jiān)控電路可警告處理器，電網欠壓或電源失效即將發(fā)生。當這些信號中的任意一個中斷處理器時，處理器進入一個掉電子程序。在這個子程序中，處理器中止當前的活動，并在POR復位處理器之前備份重要的數據。

　　為產生電源失效信號，監(jiān)控器的電源失效比較器監(jiān)視未穩(wěn)壓的直流電壓(或某些上游的穩(wěn)定電壓)。這個電壓被送入調節(jié)器，并用來產生為處理器和監(jiān)控電路供電的電源。未穩(wěn)定電壓會在調節(jié)器輸出電壓之前跌落，因為調節(jié)器的輸出電容會維持其輸出電壓(圖5)。因此，未穩(wěn)定電壓的跌落預示著調節(jié)器電壓可能會發(fā)生跌落。檢測這個跌落并中斷處理器，使處理器在被復位之前進入掉電子程序，如果電源電壓的跌幅足夠大的話。

　　圖5. MAX6342內的電源失效比較器通過監(jiān)視未穩(wěn)定直流電源的跌落，產生電源失效信號(/PFO)。

　　如果無法檢測未穩(wěn)定電壓(或一個上游的穩(wěn)定電壓)，處理器仍有可能收到一個電源即將失效的告警。提供欠壓信號輸出的監(jiān)控器可已提供這個信號，當被監(jiān)視電源電壓跌落至某個略高于復位門限的電平時(例如高150mV)這個信號變?yōu)橛行АＲ虼耍穳盒盘柨捎脕砭嫣幚砥鳎娫措妷簩⒂锌赡艿涞绞筆OR產生復位的電平。此時，和電源失效比較器發(fā)出信號時一樣，預見到POR將發(fā)出復位(由于電網欠壓或電源失效)，處理器備份重要數據。

　　電壓排序和電壓跟蹤

　　大多數雙電源供電的處理器在數據資料中規(guī)定了加電順序。有些器件象MAX6819/MAX6820能夠以正確的順序對電源進行排序。如果處理器加電順序不正確，處理器可能會鎖定、錯誤地初始化或長期運行的可靠性下降。有時，多種不同的電源電壓并不是在本地產生(例如，它們可能來自于主系統(tǒng)總線，一個外購的模塊，或者一個不包含使能和power-OK引腳等便于排序的信號的電源)。這種情況下，上電和斷電順序將難于控制或預知，因此，有必要采用電壓排序IC。當不同的阻性和容性負載影響到不同電源的開啟和關閉時間時，會使電源的上電和掉電順序無法預知，此時也有必要采用這種IC。

　　MAX6741/MAX6744提供了一種獨特的方法對兩組電源進行排序。這些器件的工作原理是，首先讓其中一路電源上電。然后，經過一定延遲后，發(fā)出power-OK信號使第二組電源脫離關端模式并開始上電。兩組電源均完成上電并經歷了另外一段時間延遲后，MAX6741/MAX6744撤銷復位信號。

　　有些處理器要求兩組電源在上電過程中彼此跟蹤。對于這種要求，MAX5039/MAX5040能夠將兩組電壓鉗制在一起，從而實現跟蹤，直到較低電壓的一組電源到達其最終電壓。在這一點，電壓較高的電源被釋放，并繼續(xù)上升到其最終電壓。

　　復位順序

　　當一個電路中包含兩個處理器時，常常需要其中一個處理器先于另一個脫離復位狀態(tài)。原先，設計者采用將兩個POR連接在一起的方式滿足此要求。第一個POR的輸出同時控制著第一個處理器的復位和第二個的手動復位輸入。第二個POR的輸出復位第二個處理器(或者，有些情況下是存儲器)。現在，用于此任務的、具有時間交錯的復位輸出的雙POR已經面市(圖6)。這些POR只要發(fā)現主電源電壓(圖6中為3.3V)跌落至內部設定的門限以下即可發(fā)出兩路復位輸出(從POR的觸發(fā)略微提前一點)。一旦電源恢復到門限以上，兩路復位輸出中的一路在其定時器計滿后撤銷(圖6中的/RESET1)。對于第二個POR，啟動其定時器和撤銷其輸出需滿足兩個條件：/RESET1必須被撤銷;第二個POR所監(jiān)視的從電源電壓必須高于由外部電阻所設定的門限。如果兩個處理器由同一電源供電，RS TIN2可直接連到電源，不必再使用分壓器。