理解和使用监控电路 AN686 概要 本应用笔记讨论了什么是单片机监控器件, 为什么需要这些器件以及在选择这些器件时需要考虑的一些因素 监控器件属于一个很广的范畴, 它涵盖了上电复位 (Power on Reset,POR) 器件 欠压检测 (Brown-Out Detect,BOD) 器件和看门狗定时器器件 本应用笔记将仅讨论具有 POR 和 BOD 功能的监控器件 监控电路的工作 监控电路可用于几种不同的应用, 它们具有两个主要的功能 : 1. 在上电期间, 监控电路会使单片机保持在复位状态, 直到系统电源上升到合适的电平并且稳定下来 (POR 功能 ); 2. 若电源下降到标称值以下 ( 无论是出现掉电还是欠压条件 ), 均会使控制器立即复位 某些监控器件还提供诸如电池电量低报警 看门狗定时器等更为复杂的功能, 这些都不在本应用笔记的讨论范围内 我必须使用监控电路的原因 系统设计人员可能会问自己这样一个问题 : 为什么我无论如何都需要一个监控电路呢? 在回答这个问题时, 必须要考虑以下三种情形 : 1. 如果在上电时, 电源存在噪声, 那么单片机 ( 或系统中的其他器件 ) 会发生什么情况? 2. 如果在系统运行过程中, 电源出现纹波, 会发生什么情况? 3. 当系统电源关闭时, 单片机会发生什么操作? 如果您仔细衡量了这些问题并且接到过客户关于这些问题的投诉, 那么您可以考虑使用监控器件 最初 : 上电问题大多数致力于样机系统开发的设计人员都对在单片机的复位引脚上放置某一类型的复位开关较为熟悉 原因是这些设计人员需要对硬件和软件进行更改, 这有时会使系统出现故障, 从而使单片机不再按照正常的方式运行 有时, 它就彻底不工作了 系统人员会按下复位按钮一段时间以确定问题是否已经解决 如果问题继续存在, 则设计人员需要进行更多修改并继续上述过程 复位按钮提供了一种手动复位系统的方法 这种方法在系统开发阶段可能行之有效, 但要如何做才能确保生产过程中系统的正确上电呢? 许多系统依赖于连接到复位线的简单上拉电阻, 并且每次均能正常工作 但是, 当系统中的不同元件在电源电压上升的过程中同时上电, 并且电源线中存在噪声时, 情况又是怎样呢? 大多数单片机给定了描述正常启动单片机要求的电源电压上升速率的参数 电源线上的纹波会导致单片机 ( 或某些其他元件 ) 无法正确上电, 从而阻止系统按照预期运行 请参见图 1 监控器件通过保持单片机复位直到电源达到稳定的电平, 解决这一问题 超时周期随器件的不同而不同, 但典型值为 150ms - 500ms 当超时周期结束时, 器件会释放复位线并允许单片机开始执行其代码 图 1: 5V 电压 POR 功能 电源电压 电源电压上升过程中可能出现的纹波 监控电路会保持单片机处于复位状态直到电源电压稳定 监控电路输出引脚 0 时间 0 500ms 2008 Microchip Technology Inc. DS00686A_CN 第 1 页
AN686 欠压 : 一个棘手的问题 欠压 ( 图 2) 是指电源电压在恢复到标称电平之前下降到安全工作电平以下的条件 该条件可由许多不同的原因引起, 如电源稳压不充分 系统元件的开 / 关以及系统故障等等 不幸的是, 欠压条件通常不会在系统开发阶段出现, 而是等到安装了所有系统元件开始生产时, 才显现其丑陋的嘴脸 因而, 通常要等到生产时, 才会发现较为复杂的问题, 而这些问题归根到底是由某种类 型的欠压条件导致的 这些问题会以不同的方式显现出来, 包括错误地转换逻辑电平或由于产生了不正确的 CMOS 输入电平而导致高电流情形 还有可能导致破坏单片机内部 RAM 单元的更为严重的问题 这个问题会使单片机中要在不同时间处理不同事务的部分无法合理工作 在使用仿真器跟踪问题时, 也根本不会显现出这一问题 图 2: 欠压条件 电源中的纹波 工作电压范围的下限值 5V 电源电压 当电源电压降低到标称值以下时, 监控电路会复位单片机 监控电路超时周期 0 0 时间 500ms 掉电时的问题 迄今为止, 大多数单片机均没有任何片上 POR/BOD 保护功能 有些单片机虽然具有这样的功能, 但却没有足够的抵御某些系统故障的保护机制 很常见的一个系统问题就是 单片机运行失控, 它出现在电源电压极慢下降的情况下, 诸如手动关闭工作台电压或电池电量减少时 当出现这种情况时, 许多单片机可能会以某种随机的方式开始运行其代码 可能没有足够电压来保持 RAM 单元的内容不丢失, 因而程序计数器以及任何其他存储在 RAM 中的变量可能包含无效数据 这就会使单片机使用所有 RAM 单元中不确定的值来执行存储在程序存储器中的代码的任何或所有部分 很明显, 电源下降的时间越长, 这一情形发生并导致问题的危险就越大 请参见图 3 对于某些系统, 这一情形除了会在系统掉电时发送一些谬误的数据到显示器之外, 不会导致任何更严重的问题 但是, 如果系统中包含其他工作在低电压下的元件 ( 比如 EEPROM 器件 ), 这一问题的潜在危害就会更大 目前市场上的 EEPROM 器件的工作电压低至 1.8V, 并且会对电压低至 1.2V 的命令作出响应 如果单片机执行的那部分代码是控制 EEPROM 写操作的, 那么向 EEPROM 器件写入随机数据的可能性将极大, 这一问题在系统下次上电时并不一定会被发现 在系统开发阶段通常不会察觉到这一问题, 这是因为在这一阶段并未按常规对系统上电或关断系统, 也就是说此时系统的电源与生产时使用的电源不同 当系统转入生产阶段并在生产线的不同阶段使用不同的电源进行测试时, 该问题通常就会显露出来 典型场景 : 数据写入 EEPROM, 并且系统测试完好, 然后关断 但在随后发现 EEPROM 中的数据遭到 了破坏 这通常会导致打电话给 EEPROM 供应商, 抱怨数据保持问题, 但其实问题是由于单片机在断电过程中发送写命令给 EEPROM 导致的 DS00686A_CN 第 2 页 2008 Microchip Technology Inc.
AN686 图 3: 在电源缓慢掉电的情况下单片机失控 ~4V 单片机在此处 失控 电源电压 ~1.5V 危险区域 系统中其他元件的工作电压可低至这点 时间 如何选择合适的器件 对于标准的 POR/BOD 类监控器件, 在做选择时, 仅需考虑几个因素 要考虑的主要因素有 : 复位电压 输出驱动器类型和复位极性 大多数监控器件可适用各种复位电压, 以支持 5V 和 3V 系统 下面的表 1 给出了典型的复位电压范围 如何选择正确的跳变点主要取决于您所使用的控制器的工作范围以及电源电压的种类 您希望在不影响正常电源电压的条件下选择尽可能高的跳变点 对于典型的单片机, 它可能工作在 5V ±10% 或 4.5V - 5.5V 的条件下 选择跳变点范围为 4.5V - 4.75V 的器件可以确保在到达工作范围下限值之前, 控制器始终处于复位状态 表 1: 最小跳变点 (V) 2.55 2.85 3.0 4.25 4.35 4.50 4.60 跳变点典型值典型跳变点 (V) 2.625 2.925 3.075 4.375 4.475 4.625 4.725 最大跳变点 (V) 2.7 3.0 3.15 4.50 4.60 4.75 4.85 许多供应商还为其器件提供了不同的输出驱动器选择 常见的选择有 : 漏极开路 带内部上拉的漏极开路以及标准推挽式输出驱动器 漏极开路选择允许多个源将复位线拉至复位状态, 诸如按钮或其他有能力复位控制器的元件, 比如过温保护开关 由于某些单片机具有低电平有效复位线, 而有些则是高电平有效, 您还必须选择相应极性的复位器件 作为参考, MCP100/120/130 系列中统统是低电平有效器件, 而 MCP101 则为高电平有效器件 结论 使用监控电路可保护基于单片机的系统免遭大量与电源相关的问题的破坏 如果您在系统中遇到某些不易察觉的问题, 这很有可能是和电源有关, 如果是这样的话, 在系统中添加一个监控电路可能会有好处 本应用笔记提供了一些指导, 您可使用这些指导来判断问题所在, 以及应选择什么样的器件来解决问题 2008 Microchip Technology Inc. DS00686A_CN 第 3 页
AN686 注 : DS00686A_CN 第 4 页 2008 Microchip Technology Inc.
请注意以下有关 Microchip 器件代码保护功能的要点 : Microchip 的产品均达到 Microchip 数据手册中所述的技术指标 Microchip 确信 : 在正常使用的情况下, Microchip 系列产品是当今市场上同类产品中最安全的产品之一 目前, 仍存在着恶意 甚至是非法破坏代码保护功能的行为 就我们所知, 所有这些行为都不是以 Microchip 数据手册中规定的操作规范来使用 Microchip 产品的 这样做的人极可能侵犯了知识产权 Microchip 愿与那些注重代码完整性的客户合作 Microchip 或任何其他半导体厂商均无法保证其代码的安全性 代码保护并不意味着我们保证产品是 牢不可破 的 代码保护功能处于持续发展中 Microchip 承诺将不断改进产品的代码保护功能 任何试图破坏 Microchip 代码保护功能的行为均可视为违反了 数字器件千年版权法案 (Digital Millennium Copyright Act) 如果这种行为导致他人在未经授权的情况下, 能访问您的软件或其他受版权保护的成果, 您有权依据该法案提起诉讼, 从而制止这种行为 提供本文档的中文版本仅为了便于理解 请勿忽视文档中包含的英文部分, 因为其中提供了有关 Microchip 产品性能和使用情况的有用信息 Microchip Technology Inc. 及其分公司和相关公司 各级主管与员工及事务代理机构对译文中可能存在的任何差错不承担任何责任 建议参考 Microchip Technology Inc. 的英文原版文档 本出版物中所述的器件应用信息及其他类似内容仅为您提供便利, 它们可能由更新之信息所替代 确保应用符合技术规范, 是您自身应负的责任 Microchip 对这些信息不作任何明示或暗示 书面或口头 法定或其他形式的声明或担保, 包括但不限于针对其使用情况 质量 性能 适销性或特定用途的适用性的声明或担保 Microchip 对因这些信息及使用这些信息而引起的后果不承担任何责任 如果将 Microchip 器件用于生命维持和 / 或生命安全应用, 一切风险由买方自负 买方同意在由此引发任何一切伤害 索赔 诉讼或费用时, 会维护和保障 Microchip 免于承担法律责任, 并加以赔偿 在 Microchip 知识产权保护下, 不得暗中或以其他方式转让任何许可证 商标 Microchip 的名称和徽标组合 Microchip 徽标 Accuron dspic KEELOQ KEELOQ 徽标 MPLAB PIC PICmicro PICSTART PRO MATE rfpic 和 SmartShunt 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的注册商标 FilterLab Linear Active Thermistor MXDEV MXLAB SEEVAL SmartSensor 和 The Embedded Control Solutions Company 均为 Microchip Technology Inc. 在美国的注册商标 Analog-for-the-Digital Age Application Maestro CodeGuard dspicdem dspicdem.net dspicworks dsspeak ECAN ECONOMONITOR FanSense In-Circuit Serial Programming ICSP ICEPIC Mindi MiWi MPASM MPLAB Certified 徽标 MPLIB MPLINK mtouch PICkit PICDEM PICDEM.net PICtail PIC 32 徽标 PowerCal PowerInfo PowerMate PowerTool REAL ICE rflab Select Mode Total Endurance UNI/O WiperLock 和 ZENA 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的商标 SQTP 是 Microchip Technology Inc. 在美国的服务标记 在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有 2008, Microchip Technology Inc. 版权所有 Microchip 位于美国亚利桑那州 Chandler 和 Tempe 与位于俄勒冈州 Gresham 的全球总部 设计和晶圆生产厂及位于美国加利福尼亚州和印度的设计中心均通过了 ISO/TS-16949:2002 认证 公司在 PIC MCU 与 dspic DSC KEELOQ 跳码器件 串行 EEPROM 单片机外设 非易失性存储器和模拟产品方面的质量体系流程均符合 ISO/TS- 16949:2002 此外, Microchip 在开发系统的设计和生产方面的质量体系也已通过了 ISO 9001:2000 认证 2008 Microchip Technology Inc. DS00686A_CN 第 5 页
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