监控电路可控您的微处理器

了解μP监控器的价值，以确保在上电、断电和掉电情况下（欠压监控）期间系统正常运行。此外，还提供有关过压和窗口监控的信息。介绍其他功能，如手动复位、看门狗定时器、备用电池和芯片使能门控。讨论多电压监控的必要性。

微处理器监控电路已经存在了很多年，以至于它们通常被认为是理所当然的。现代集成电路版本并非如此，从简单的三端子复位芯片到复杂的多功能设备。仅Maxim就提供近100个零件号，每个零件号都有数千种产品。通过了解这些产品及其基本功能，板级设计人员可以处理 最简单和最复杂的应用程序。

微处理器（μP）监控器最基本的功能是“上电复位”（POR）。否则，基于μP的良好系统在上电期间或电源电压暂时下降（掉电）时可能会出现问题。多年来，这个问题的部分解决方案是在μP的/RESET线路上增加一个电阻、一个电容和一个二极管（图1）。

图1.这种粗糙的监控电路只是VDD监控问题的部分解决方案。

增加的 RC 导致电源电压开始上升后，/复位有效保持低电平。如果电压上升得足够快，则/RESET将足够低，以保持μP复位，从而允许其电路在恢复正常工作之前稳定下来。当电源关闭并降至零时，二极管也可确保为/RESET提供快速的高低转换。

只要电源相对于RC时间常数快速上升，这种方法就相当适用于上电。该电路的工作是保护μP免受不完美的上电影响，但它依赖于电源电压足够快地上升来实现此目的。在掉电期间重置μP也不可靠。为了实现该条件下的复位，电源电压必须降至V电平伊利诺伊州减一 二极管压降。然而，在达到此水平之前很久，电源电压就远低于其最低规格。

为了处理这种情况，微处理器供应商通常推荐与图2相当的电路。当电源下降时，它会强制复位，但电压精度仅限于齐纳二极管的电压精度以及与晶体管特性相关的误差。

图2.该电路为图1所示的VDD监视器增加了掉电能力，但它提供的精度和实用性有限。

超时功能可以通过增加一个电容器和一个二极管连接到该电路上。由此产生的电路有七个元件，在精度和电源电压上升缓慢方面仍然存在问题。

多准确才算足够准确？

考虑一个常见示例，其中处理器采用标称 5V 电源工作，额定工作电压低至 4.5V。对于低于4.5V的所有电压，复位电路应保持复位，因此其最小门限必须为4.5V。那么，复位阈值随温度和单元之间的扩散上限应该是多少？如果您想与电源设计人员遇到麻烦，您可以将电源指定为 5V ±0%，但更可能的范围是 4.75V 至 5.25V。因此，您应该保证阈值在4.5V和4.75V之间;即4.63V ±2.7%。

齐纳二极管可以调节阈值电压，但典型齐纳二极管的精度为±5%至±10%。对于高价，您可以指定更严格的公差（至±1%），但仅适用于室温和特定电流。所有齐纳二极管的电压随电流变化显著，典型温度系数（TC）为几mV/°C。 基于齐纳二极管的复位电路不足以保证启动时和掉电期间的正确复位。更糟糕的是，即使是低电流齐纳二极管也需要0μA电流才能实现稳压，这在电池供电系统中是一个相当大的负载。

理想的复位电路应该如何工作？

我们已经确定复位电路的电压容差在整个温度范围内不应超过±2.7%。但是，如果没有适当的延迟终止复位脉冲，电路在两种情况下会发生故障：如前所述电源电压缓慢上升，或者在启动或从掉电条件恢复期间表现出噪声或非单调行为的电源电压。如果监控电源电压正好位于复位电路门限处，则噪声往往会反复触发、取消触发和重新触发电路，从而导致μP的/RESET输入振荡。

迟滞可以解决这个问题，市场上提供了几个电压检测器产品系列，试图以这种方式解决这一难题。遗憾的是，迟滞缩小了阈值的允许电压容差。在上面的例子中，我们有250mV（4.75V Ð 5.0V）可以使用。如果增加100mV的迟滞，则上升电压的最小阈值将比以前高100mV，即4.6V而不是4.5V。这种转变对于保证电压下降的阈值（在掉电期间）不低于4.5V是必要的。因此，为了确保两个门限都在4.5V和4.75V之间，上限必须为4.67V ±1.6%。

这种类型的常见电压检测器，如理光Rx5VL/Rx5VT和精工S-807，其25°C阈值精度分别为±2.5%和±2.4%。实际器件的工作温度超过25°C，但这些产品仅规定了100ppm/°C和120ppm/°C的典型温度系数。 这些TC在2°至85°C范围内的阈值容差分别为±2.82%和±0.70%。

精工S-808系列代表了这种类型的最新精密零件。它们规定 2°C 时的精度为 ±25%，最大温度系数为 350ppm/°C。 在0°C至70°C范围内，该最大温度系数对应于350e-6 x 70 = 0.0245或2.45%的变化。因此，我们的最坏情况准确率为 ±3.225%。如果我们假设最坏的情况 部分不会在整个温度范围内表现出最大温度系数，而是（平均）大约是最大值的一半，那么得到的最大变化（±2.6125%）对于上述示例来说已经足够好了。

我们还没有考虑滞后。上述分析表明，上升沿阈值符合我们的规范。但是，下降沿阈值将更低。所有这些探测器的滞后典型值为5%，最大值为7%或8%。本例中的上升沿阈值在所需范围内（4.5V至4.75V），但下降沿阈值可低至4.13V。也就是说，在电源电压几乎超出规格0.4V之前，我们无法保证掉电检测！

电子拖延是答案

为了防止检测阈值处的振荡行为而不诉诸过度迟滞，我们必须延迟复位脉冲的后沿。与上述RC电路一样，在电源电压超过检波器阈值后，复位脉冲必须保持一段时间。此间隔称为“延迟时间”或“重置活动超时期限”。然而，与RC电路延迟不同的是，当电源电压超过检波器中精确调整的阈值时，就会触发此延迟。延迟也应可重新触发，以防止μP复位信号振荡。当电源电压缓慢上升导致检波器门限处出现多个触发事件时，每个事件应重新启动超时。

提供这种基本功能的器件已经存在了很长时间，近年来已经采用微型三端子SOT23封装。首款SOT23器件（MAX809）已成为被大量复制的行业标准。通用809提供多个工厂调整的复位阈值，在-2°C至+6°C范围内提供±40.85%的保证精度。809 还保证 140ms 的最小活动超时复位周期。它提供了上述所有功能，并且比离散组件方法简单得多。图3说明了809电路的简单性。

图3.三端监控IC将电压监控（启动和掉电）与复位延迟功能相结合。

MAX809的电流消耗高达60μA。该器件的一些最新克隆产品，包括IMP的IMP809和ETC的ETC809，具有15μA至20μA范围内的最大电源电流。然而，新的MAX6326和MAX6346系列以低得多的电源电流提供相同的功能。对于低于 1.0V 的阈值电压，它们的最大电流为 5μA （典型值为 3.2μA），对于较高的阈值电压，它们的最大电流为 1.75μA （典型值为 1μA）。

当电源监控不够时

三终端监控器提供主要监控功能，但许多应用程序需要更多的监控器。通常需要的基本功能是按钮或手动复位输入。此功能允许您通过瞬时按钮开关启动复位。它还可以对多个二进制信号进行选通，或对μP的复位输入进行另一个复位。该输入使用与电源监视器相同的延迟功能进行去抖动。增强型监控器需要第四个引脚，由 SOT-143（四引脚 SOT-23）提供。上述三端设备的大多数制造商也制造包含此功能的四终端设备。

大多数早期的SOT器件都有五个左右的标准阈值电压。然而，Maxim的四端器件中的两款（MAX6314和MAX6315）是越来越多的监控器中的第一款，可提供广泛的定制门限和复位超时。最常见的组合可作为标准产品提供，但工程师还可以指定2.5V至5.0V的阈值电压，增量为100mV，最小复位延迟时间为1ms、20ms、140ms或1.12s。

汪！

基于微处理器的系统的另一个常见要求是看门狗定时器（WDT）。WDT 提供针对流氓软件和其他导致软件执行“杂草丛生”的异常情况的保护。WDT只是一个可重启的定时器，其输出（/WDO）在超时时改变状态，复位μP或产生中断。为防止 WDT 超时，请将 I/O 线路从 μP 连接到 WDT 输入 （WDI）。然后，软件必须在此行上生成转换，在超时之前反复重新启动看门狗。否则，WDO 将触发中断或重置。

但是我的微处理器具有看门狗功能

许多μP具有内部看门狗定时器，但其中许多WDT不提供完整的保护。通常，WDT可以禁用，也可以通过软件启用。如果软件可以禁用 WDT，则 WDT 无法完全保护系统免受软件侵害。要消除这种责任，您需要一个无法通过软件禁用的外部硬件看门狗定时器。

许多器件都具有此功能，包括无处不在的达拉斯半导体DS1232;它是市场上重复最多的监控电路之一（图 4a）。该器件提供与四端子器件相同的功能，以及可通过其TD引脚对三个不同周期中的任何一个进行编程的WDT。使用 TOL 引脚，您还可以将阈值设置为两个工厂设置电压之一。'1232 还具有互补的复位输出。原始版本仅提供 16 引脚 DIP 和 <> 引脚宽 SO 封装。较新版本采用八引脚 SO。

大多数应用不需要'1232'的可编程性或互补输出。消除这些功能后，引脚数减少到23个，允许在SOT23的823引脚版本中实现其余功能。首批采用五引脚SOT824的器件是MAX4和MAX1232（图823b）。与'824一样，其WDT输出与电源监视器输出在内部门控，以提供单个/RESET输出。MAX<>具有/有效/复位，MAX<>具有高电平有效复位。

 

图 4a.	图 4b.

 

图4.这些常用的监控IC包括看门狗定时器和手动复位输入。

与三端子和四端子器件一样，这些首批五引脚SOT器件催生了一系列器件，为设计人员提供了更大的变化和灵活性。例如，MAX6316至MAX6322器件在SOT23-5中提供多种特性组合和输出结构。这些产品的可用版本提供 100.2V 至 5.5V 之间以 0mV 为增量的复位门限、四种不同的最小复位超时（1ms、20ms、140ms 或 1.12s）和四种不同的最小 WDT 超时周期（4.3ms、71ms、1.12s 或 17.9s）。

使用单芯片监控多个电压

许多系统需要多个电源电压才能工作。这些电压可以用多个器件监控，但大多数设计人员更喜欢使用单个器件来监控两个或多个电压。例如，Dallas DS1834监视5V电源和3V或3.3V电源。

同时包含模拟和数字电路的系统通常需要同时监视数字电源电压以及正负模拟电源电压。MAX6304、MAX6307或MAX6310（采用SOT封装）加上<>个外部电阻即可完成这项工作。 IC的区别仅在于复位输出的结构：低真开漏、低真推挽或高真推挽。它们监控 V 处的电压抄送引脚采用工厂预设复位门限，范围为2.5V至5.0V，步长为100mV。每个器件包括外部设置的欠压和过压比较器，其阈值由外部分压器设置。这两个比较器的欠压和过压输入可以实现窗口复位功能，在特定电压过高或过低时发出警告（通过产生复位）。

或者，您可以将过压输入用作负电压的欠压检测器。将此功能与预设和可配置的欠压检测器相结合，芯片能够监视逻辑电压（如 5V）以及正负模拟电压（如 ±12V）（图 5）。所示器件具有低真推挽复位输出（6310基数）、标称4.63V预设阈值（“46”后缀）和标称200ms复位超时（D3后缀）。当模拟电压小于±10V时，所示的外部电阻产生复位。

图5.内部比较器实现欠压/过压警告和窗口复位功能。

为了确保电源电压损失时SRAM内容和其他关键功能的连续性，许多较旧的监控电路能够（在复位的同时）将施加到此类子系统的电源从系统电源切换到备用电池。随着闪存的出现，对这种电池备份切换的需求正在下降，但它仍然存在于许多系统中。大多数较旧的监控器芯片都有用于电池和系统电源的内部开关，对于较大的负载，它们还可以通过驱动外部电源来切换系统电源。 晶体管。

电池备份切换的配套功能是芯片使能写保护或芯片使能门控（/CE选通）。来自μP或地址解码逻辑的/CE线通常进入SRAM，而是通过监控芯片路由到SRAM。该信号通常原封不动地通过芯片。然而，在复位期间，监控芯片强制/CE为高电平，从而禁止对存储器的访问，从而保护SRAM内容免受暂时失去理智的μP的错误写入。

最新的监控芯片是相对简单的器件，采用SOT等小型封装，但有些芯片提供附加功能。例如，MAX818提供基本的电源监视和看门狗功能，以及电池备份切换和CE门控，采用6引脚μMAX封装（图<>）。该部件中的电池备份切换电路还提供“电池新鲜度密封”，可防止安装在产品中的电池在发货前放电。

图6.该监控器件包括看门狗定时器、电池备份切换和芯片使能门控，以及基本的电源电压监控。

在产品生产过程中启用新鲜度密封：安装电池后，测试设备强制/CE OUT线接地，施加V抄送，然后删除 V抄送重置超时期限到期后。即使监控芯片断电，内部电池备份电路也能保持电池和负载断开。然后芯片在下次V时恢复正常工作抄送应用（无需外部保持/CE OUT低电平）。

更复杂的设备提供的另一个特性是低线输出。该二进制输出由内部比较器触发，该比较器监视电源电压，其阈值略高于复位阈值。通过中断监视该引脚，μP会提前收到由于电压骤降而即将复位的警告。

一些器件提供内部“电源故障”比较器，一个输入连接到内部基准，另一个输入（和输出）未提交。这种布置允许设计人员使用外部分压器检测任何所需的电压电平。它通常用于检测来自施加在 V 的电池或线路衍生源的原始电压抄送调节器。当输入电压接近适当调节允许的最小值时，电源故障输出通知μP。这种预警可以让系统在断电之前执行有序关机。这种复杂的多功能监控电路包括DS1236、MAX793和MAX807。

然而，某些复杂的任务关键型应用的要求超出了任何单个芯片的能力，包括这些多功能监控器。一个很好的例子是运动工程公司（加利福尼亚州圣巴巴拉）的高端多轴运动控制器。这些系统（XMP 系列）使用标准监控器和一些最少的外部逻辑的组合来实现独特、全面的保护方案（图 7）。该系列的初始成员（PCI 版本和紧凑型 PCI （CPCI） 版本）提供 150+ MFLOPS 的 DSP 功率和控制多达 16 个轴;即 16 台电机紧密同步。

图7.多个IC为复杂的任务关键型系统提供监控保护。

由于控制器和电机驱动器之间的事实上的标准接口是 ±10V 信号，因此 XMP 通过板载 DC-DC 转换器产生 ±15V 电源电压，为输出级供电。它利用这些电压以及CPCI规范标配的±12V、+5V和+3.3V电压。对于 PCI 版本的运动控制器，3.3V 是使用另一个 DC-DC 转换器从 5V 派生出来的。由于模拟输出直接控制电机速度（或扭矩），因此在故障情况下它们复位为零。系统监视所有电源电压，如果任何电源电压超出规格，则关断模拟输出。

同样，硬件使用看门狗定时器 （WDT） 来保护自身、电机和电机负载免受软件问题的影响。WDT 的短超时 （4ms） 可在损坏发生之前捕获错误条件。在启动时，WDT 必须推迟，直到主机和 XMP 通电并同步。然后，WDT 以这样一种方式启用，即软件无法在未完全重置 DSP 的情况下再次禁用它。

主机或外部信号也可以触发硬复位，导致完全重启，使电路板处于与初始上电后相同的状态。WDT 仅触发软复位，这会复位模拟输出并导致 FPGA 在不重新加载其配置的情况下复位其 I/O。软复位条件将锁定，直到主机决定要执行的操作。所有其他来源都会导致硬重置。

一个MAX6307监视±15V电源;另一个监视 ±12V 电源。如上所述，过压输入用作负电源电压的欠压检测器。漏极开路复位输出采用线或线连接，并通过主机生成的复位进行选通，主机通过PCI接口将特定值写入CPLD寄存器。结果施加于MAX6315的手动复位（/MR）输入，外部复位输入施加于另一MAX6315的/MR输入。一个'6315（出厂设置为4.63V）监视5V电源，另一个（出厂设置为2.93V）监视3.3V电源。其线或输出产生硬复位，导致整个电路板返回到上电状态。

采用μMAX封装的MAX6303用于看门狗定时器。该器件使用两个外部电容器为看门狗和复位功能设置独立的超时周期。看门狗周期根据WDS数字输入的状态乘以1X或500X。一个外部 WDT 电容器和 WDS 引脚的组合可提供 100μs 至数分钟的 WDT 周期。MAX6303还具有欠压检测器（未使用），由两个外部电阻设置。

将MAX6303 WDS引脚驱动至高电平并浮动其WDI输入禁用WDT。利用此功能和XMP上CPLD中DSP电路中的两个标志，在硬复位后禁用MAX6303的WDT。第一面旗帜用作WDT STROBE;第二个作为 WDT /ENABLE（低真）。STROBE信号在应用于WDI之前会经过CPLD中的三态缓冲器。ENABLE 信号由 CPLD 上的触发器记录，触发器输出控制选通的三态缓冲器。

STROBE 信号路径中的触发器和类似的 CPLD 电路可确保两个信号都处于高电平状态，从而禁用 WDT。一旦 DSP 正确启动，它将启用标志设置为低电平。此操作将 WDS 触发器清除为零，从而允许 STROBE 信号从 CPLD 传播到 WDT 输入。此转换将启用 WDT。触发器的配置使得WDS输入在未完全复位DSP的情况下无法再次变为高电平。为避免软复位，DSP 现在必须每 4ms 为 WDT 提供服务。

WDT 异步超时在 CPLD 中锁存其复位输出，进而清除驻留在 CPLD 中的主机接口寄存器。此操作将标记主机已发生软重置。锁存复位退出CPLD，对FPGA进行软复位，并通过硬复位（MAX6315输出）进行门控，以禁用（零）模拟输出。采用SOT封装的74x08栅极可在极低电压下工作，确保复位在5V电源骤降时保持有效。由于模拟控制输出已被禁用，主机现在可以在闲暇时决定该怎么做。它可以通过PCI接口重新启动DSP，并在DSP准备就绪时通过清除闩锁来移除软复位。或者，它可以重新启动整个系统。

MEI使用三种标准监控产品、一个通用的SOT23封装门和最少的CPLD资源，实现了非常复杂的保护。该电路包括 16 个 SOT 封装、<> 个小电阻、<> 个小电容器和一个 <> 引脚 μMax 封装，尺寸仅为 SO-<> 封装的一半。所需的总电路板空间与标准 <> 引脚 SO 和 <> 引脚 SO 封装占用的总电路板空间大致相同。

微处理器监控IC为当今的大多数应用提供了所需的保护，从最简单的上电复位到复杂的多重监控功能。为了最大限度地延长系统的正常运行时间，设计人员必须了解这些IC的功能、实用性和局限性。即使没有单个部件包含特定应用所需的所有功能，明智地使用较小的构建块组件也可以以最小的空间使用完成经济高效的工作。

审核编辑：郭婷