【導(dǎo)讀】現(xiàn)如今很多的電路都設(shè)計(jì)的精密復(fù)雜，其目的就是為了確保電路在開(kāi)啟后快速進(jìn)入已知狀態(tài)，在保留存儲(chǔ)器內(nèi)容的同時(shí)，還能節(jié)省功耗，快速引導(dǎo)。本文就講解了IC上電復(fù)位電路的上電復(fù)位和關(guān)斷功能。
簡(jiǎn)介
許多IC 都包含上電復(fù)位(POR)電路，其作用是保證在施加電源后，模擬和數(shù)字模塊初始化至已知狀態(tài)?；綪OR功能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部復(fù)位脈沖以避免"競(jìng)爭(zhēng)"現(xiàn)象，并使器件保持靜態(tài)，直至電源電壓達(dá)到一個(gè)能保證正常工作的閾值。注意，此閾值電壓不同于數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的最小電源電壓。一旦電源電壓達(dá)到閾值電壓，POR電路就會(huì)釋放內(nèi)部復(fù)位信號(hào)，狀態(tài)機(jī)開(kāi)始初始化器件。在初始化完成之前，器件應(yīng)當(dāng)忽略外部信號(hào)，包括傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。唯一例外是復(fù)位引腳（如有），它會(huì)利用POR信號(hào)內(nèi)部選通。POR電路可以表示為窗口比較器，如圖1 所示。比較器電平VT2在電路設(shè)計(jì)期間定義，取決于器件的工作電壓和制程尺寸。
圖1.簡(jiǎn)化的POR電路
POR策略比較器窗口通常由數(shù)字電源電平定義。數(shù)字模塊控制模擬模塊，數(shù)字模塊全面工作所需的電壓與模擬模塊工作所需的最小電壓相似，如圖2所示。
圖2.POR閾值電壓
較高的VT2閾值對(duì)模擬模塊會(huì)更好，但若過(guò)于接近推薦最小電源電壓，當(dāng)電壓略微降低時(shí)，可能會(huì)意外觸發(fā)復(fù)位。如果器件包括獨(dú)立的模擬電源和數(shù)字電源，則避免故障的一種策略是增加一個(gè)POR電路，使兩個(gè)模塊保持復(fù)位狀態(tài)，直至電源電壓高到足以確保電路正常工作。例如，在一種3V IC工藝中，VT1 ≈ 0.8 V，VT2 ≈ 1.6 V。這些電壓會(huì)隨著制程以及其他設(shè)計(jì)偏移而變化，但它們是合理的近似值。閾值容差可以是20%或更大，某些舊式設(shè)計(jì)的容差高達(dá)40%。高容差與功耗相關(guān)。POR必須一直使能，因此精度與功耗之間始終存在的取舍關(guān)系很重要；較高的精度會(huì)提高電路在待機(jī)模式下的功耗，而對(duì)功能性并無(wú)實(shí)際意義。
掉電檢測(cè)器
POR 電路有時(shí)會(huì)集成一個(gè)掉電檢測(cè)器(BOD)，用于防止電路在電壓非常短暫地意外降低時(shí)發(fā)生復(fù)位，從而避免故障。實(shí)際上，掉電電路給POR模塊所定義的閾值電壓增加了遲滯，通常為300mV左右。BOD保證，當(dāng)電源電壓降至VT2以下時(shí)，POR不會(huì)產(chǎn)生復(fù)位脈沖，除非電源電壓降至另一閾值VBOD以下，如圖3 所示。
圖3.掉電檢測(cè)器
掉電閾值電平足以保證數(shù)字電路保留信息，但不足以保證其正常工作。這樣，控制器可以在電源降至某一電平以下時(shí)中止活動(dòng)而不會(huì)讓整個(gè)器件都重新初始化，如果電源電平只是非常短暫地降低的話。[page]
器件正確上電
實(shí)際的POR電路比圖1 所示的簡(jiǎn)化版本要復(fù)雜得多，例如用MOS晶體管代替電阻。因此，必須考慮寄生模型。另外，POR電路需要一個(gè)啟動(dòng)模塊來(lái)產(chǎn)生啟動(dòng)脈沖，這在某些情況下可能會(huì)失效。其他重要考慮在以下內(nèi)容中說(shuō)明。
必須使用單調(diào)性電源，因?yàn)槿羰褂梅菃握{(diào)性電源，當(dāng)偏差接近任何閾值電平時(shí)，非單調(diào)性斜坡可能會(huì)引起問(wèn)題。較高的閾值偏差會(huì)引起同樣的非單調(diào)性序列對(duì)某一個(gè)元件有效，而對(duì)其他元件無(wú)效，如圖4 所示。
圖4.非單調(diào)性電源斜坡
某些時(shí)候，即使斷開(kāi)電源（禁用LDO），儲(chǔ)能電容也會(huì)保留一定的殘余電壓，如圖5 所示。此電壓應(yīng)盡可能小，以便保證電源能降至VT1 以下，否則POR將無(wú)法正確復(fù)位，器件將無(wú)法正確初始化。
圖5.殘余電壓
某些數(shù)據(jù)手冊(cè)給出了應(yīng)當(dāng)應(yīng)用于具有一個(gè)以上電源引腳的器件的推薦供電序列。遵守這個(gè)序列是很重要的。例如，想想一個(gè)具有兩個(gè)獨(dú)立電源的器件。推薦供電序列要求數(shù)字電源先于模擬電源供電（這是常規(guī)，因?yàn)閿?shù)字模塊控制模擬模塊，所以必須首先為數(shù)字模塊供電），該模塊必須首先初始化。哪個(gè)電源首先開(kāi)始上升不重要，但數(shù)字電源必須先于模擬電源跨過(guò)閾值，如圖6 所示。如果電源之間的延遲為100 μs左右，則影響應(yīng)當(dāng)很小，器件應(yīng)能正確初始化。
圖6.推薦供電序列
由于內(nèi)部三極管寄生效應(yīng)，數(shù)百ms 的慢速電源斜坡可能會(huì)引起問(wèn)題。POR 電路要在各種壓擺率下進(jìn)行評(píng)估，以保證其在正常電源條件下能正確工作。數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)說(shuō)明是否需要快速電源斜坡（100 μs或更短）。例如，對(duì)于用細(xì)電纜連接電源的電路板，不良的接地連接會(huì)具有高阻抗，它可能會(huì)在上電期間產(chǎn)生毛刺。另外，在某些電磁環(huán)境(EME)下，MOS晶體管的寄生柵極電容可能會(huì)充電，導(dǎo)致晶體管不能正常工作，除非讓該電容放電。這可能引起POR初始化失敗。
漂移和容差也需要考慮。某些情況下，電容等分立元件具有高容差（高達(dá)40%）和高漂移（隨溫度、電壓和時(shí)間的漂移）。此外，閾值電壓具有負(fù)溫度系數(shù)。例如，VT1 在室溫下為0.8V，在-40°C下為0.9 V，在+105°C 為0.7V。
結(jié)語(yǔ)
本文討論了電路板上電時(shí)可能引發(fā)系統(tǒng)問(wèn)題的一些常見(jiàn)問(wèn)題，并說(shuō)明了保證電路板正確初始化的基本原則。電源常常被忽視，但其最終電壓精度和過(guò)渡行為均很重要。
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