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微控制器监控器集成电路中的故障保护分析

分类:
电源技术
2022/03/28
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【摘要】:
微控制器监控器集成电路 (IC) 提供了一种在上电、断电和掉电条件下保持系统可靠运行的方法。这些保护 IC 通过准确监控系统电源以及断言或取消断言微控制器的复位输入来确保电压电平高于微控制器的最低工作电压来实现这一点。它们还为电源稳定提供了足够的时间。

介绍

微控制器监控器集成电路 (IC) 提供了一种在上电、断电和掉电条件下保持系统可靠运行的方法。这些保护 IC 通过准确监控系统电源以及断言或取消断言微控制器的复位输入来确保电压电平高于微控制器的最低工作电压来实现这一点。它们还为电源稳定提供了足够的时间。

微控制器系统图
 
图 1. 典型的微控制器系统框图

典型的电池供电应用利用 DC-DC 转换器从锂电池或碱性电池生成电源轨。可以在 DC-DC 转换器和微控制器之间添加监控器 IC,以监控电源电压并启用或禁用微控制器。

通过监控器的复位输出引脚来启用和禁用微控制器。该引脚通常是连接到 10kΩ 上拉电阻的开漏引脚。监控器 IC 监控电源电压,并在输入电压低于复位阈值时触发复位。在监控电压升至阈值电压以上后,复位输出在复位超时期间保持有效,然后取消有效,从而允许目标微控制器离开复位状态并开始工作。但是在监控器打开并将复位输出拉低之前,复位输出会发生什么?

故障

为了回答这个问题,让我们看一个典型的上电序列(图 2)。随着电源轨 V CC开始上电,微控制器和监控器都关闭。因此,复位线处于浮动状态,10kΩ 上拉电阻使电压跟踪 V CC。电压上升可能在 0.5V 至 0.9V 之间,可能会导致系统不稳定。


 
图 2. 上电顺序

一旦监控器 IC 开启,复位线就会被拉低,以防止微控制器意外开启。这种故障在所有前几代监控器 IC 中都很常见。

低功耗技术挑战

随着低功率设备在较低电压下运行的当前趋势,这成为一个主要问题。图 3显示了 3.3V、2.5V 和 1.8V 三个逻辑电平。对于 3.3V 系统,Vol 和 Vil 介于 0.4V 和 0.8V 之间,确保逻辑电平为低电平。如果在 0.9V 处出现毛刺,那么这可能会导致处理器通过连续关闭和打开而变得不稳定。


 
图 3. 3.3V 至 1.8V 逻辑电平

现在让我们考虑 1.8V 系统。Vol 和 Vil 分别在 0.45V 到 0.63V 时要低得多,并且该系统中的 0.9V 毛刺代表了较大的误差范围,因此这种类型的系统具有较高的毛刺导致系统错误的可能性。

故障影响

接下来,让我们看看故障如何影响系统的运行(图 4)。在本例中,电源电压 (V DD ) 缓慢上升至 0.9V,并在 0.9V 处短暂停留。电压不足以开启监控器 IC,但微控制器可能会被启用并在不稳定状态下运行。由于 0.9V 处于不确定状态,因此 RESET 输入可以将毛刺解释为逻辑 1 或 0,这将不规则地启用或禁用微控制器。这会导致微控制器执行部分指令或不完整地写入内存,从而可能导致灾难性问题。

 
图 4. 不稳定的复位输入

消除主管重置故障

为了解决这个问题,它需要新一代的监控器 IC,无论断电或掉电期间的电压水平如何,都可以防止形成毛刺。这需要一个专有电路,当 V DD处于不确定范围内时,该电路的复位输出保持低电平。MAX16162正是这样做的。每当 V DD低于阈值电压时,复位输出保持低电平,防止复位线上的电压毛刺。一旦达到电压阈值并且延迟完成,复位输出将取消断言,从而启用微控制器(图 5)。

 
图 5. 无故障系统

结论

每个应用中都存在毛刺,过去对更高电压的应用并没有造成重大问题,但随着新的低功率系统,电源电压正在降低,0.9V 毛刺使系统的可靠性降低。新一代监控器 IC 提供无干扰运行,为当今和未来的低功耗应用提供最高程度的系统保护。