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高可靠性掉電保護電路設(shè)計

作者： 時間：2011-05-30 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要提出掉電保護與系統(tǒng)復(fù)位同時作用，實現(xiàn)高度可靠的掉電保護電路的設(shè)計原理。介紹了ADM691微處理器監(jiān)控電路特性及其構(gòu)成的掉電保護電路。

關(guān)鍵詞微處理器監(jiān)控電路掉電保護

1問題的提出

在智能儀表及過程控制中常常要用掉電保護電路以長時間保存實時參數(shù)。通常可采用E2PROM、FLASH MEMORY以及以隨機存儲器為基礎(chǔ)內(nèi)置電池的非易失性芯片來實現(xiàn)。E2PROM、FLASH MEMORY屬于可在線修改的ROM器件，它解決了應(yīng)用系統(tǒng)中實時參數(shù)掉電后長時間保存的難題，但這類芯片寫入速度慢，一般為毫秒級，擦寫次數(shù)有限，一般為萬次級，有些器件擦寫次數(shù)能達到百萬次，但對某些應(yīng)用系統(tǒng)而言，其寫入次數(shù)仍然是有限的。因此這類芯片只能用在需要保護的數(shù)據(jù)量小且寫入不頻繁的系統(tǒng)中。對那些需要大容量高速反復(fù)保存實時參數(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)，只能用隨機存儲器RAM加掉電保護電路來實現(xiàn)。掉電保護電路一般由低功耗的CMOS-RAM、供電電路及控制電路組成。供電電路保證在系統(tǒng)正常時由電源給RAM供電，系統(tǒng)掉電時自動轉(zhuǎn)換到由備用電池給RAM供電；控制電路保證在電源供電時RAM正常讀寫，電池供電時RAM處于保護狀態(tài)，特別要防止在系統(tǒng)上電/掉電過程中的瞬間干擾信號對RAM芯片的寫入而改變RAM中的數(shù)據(jù)?；赗AM的掉電保護電路既具有RAM的高速寫入、寫入次數(shù)無限制的特點，又能象ROM那樣長時間保存數(shù)據(jù)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。實現(xiàn)上述原理的掉電保護方法很多，某些廠商甚至以RAM為基礎(chǔ)內(nèi)置電池，開發(fā)出了自掉電保護芯片。用這類單獨的掉電保護芯片或電路構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中有時出現(xiàn)工作不穩(wěn)定現(xiàn)象。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：若系統(tǒng)電源的變化使RAM先處于保護狀態(tài)，而系統(tǒng)尚未復(fù)位，微處理器正常工作，此時對RAM進行讀寫操作，因其已處于保護狀態(tài)，必定發(fā)生數(shù)據(jù)讀不出寫不進的現(xiàn)象，引發(fā)系統(tǒng)故障。對于這種微處理器復(fù)位電平與掉電保護電平不一致而影響系統(tǒng)正常工作的問題，我們提出了用微處理器監(jiān)控電路把系統(tǒng)復(fù)位與掉電保護聯(lián)系在一起的解決方案。系統(tǒng)復(fù)位時存儲器處于保護狀態(tài)，系統(tǒng)工作時存儲器處于可以正常讀寫，從而有效地解決了上述問題。下面介紹利用ADM691微處理器監(jiān)控電路按上述原理實現(xiàn)的高可靠性的掉電保護電路。

2ADM691芯片介紹

ADM691是AD公司生產(chǎn)的一種高性能微處理器電源監(jiān)視電路，其功能包括微處理器復(fù)位，備用電池切換，看門狗電路，CMOS-RAM寫入保護及電源故障告警等。

2.1芯片主要特點

  • 精確的4.65V監(jiān)控；
  • 上電、掉電、不正常低壓供電產(chǎn)生復(fù)位輸出；
  • 100ms，1.6s 或可調(diào)看門狗計時器；
  • １μA待機電流；
  • 備用電池電源切換；
  • 芯片使能信號的在線選通；
  • 電源故障報警。

2.2芯片引腳及功能

ADM691為16腳DIP和SO封裝，引腳如圖１所示。各引腳功能如下：

（1）VBATT備份電池輸入；

高可靠性掉電保護電路設(shè)計

圖1ADM691引腳

（3）VCC輸入電源電壓+5V；
（2）VOUT輸出電源電壓。當(dāng)大于VBATT且高于復(fù)位門限值時，VOUT接到VCC；當(dāng)VCC低于VBATT且低于復(fù)位門限時VOUT接到VBATT；
（4）GND地；
（5）BATTON電池接通輸出。當(dāng)VOUT接到VBATT時為高；
（6）電源故障輸出。VCC降到復(fù)位門限以下時，變低，這個輸出可用來產(chǎn)生一個不可屏蔽的電源故障中斷；
（7）OSCIN外部復(fù)位和看門狗時鐘輸入。OSC SET接低電平時調(diào)節(jié)復(fù)位和看門狗時間，OSC SET浮空時OSCIN亦浮空，使復(fù)位時間為50ms，看門狗時間為1.6s；
（8）OSCSET內(nèi)外時鐘選擇；
（9）PFI電源故障輸入。當(dāng)輸入小于1.3V時，變低。
（10）電源故障輸出。選擇適當(dāng)?shù)碾娮鑼?I>VCC分壓送入PFI，使VCC降到4.8V（高于復(fù)位電平150mV）時產(chǎn)生低跳變，觸發(fā)非屏蔽中斷，可以利用VCC降到復(fù)位電平4.65V之前的這段時間，保存一些必要的參數(shù)；
（11）WDI看門狗觸發(fā)輸入。WDI保持不變，時間超過設(shè)定時間，則變低,復(fù)位有效,利用此功能可有效防止系統(tǒng)死機,增強抗干擾能力。
（12）RAM芯片使能輸出。在有效期間，保持高電平，以禁止對RAM的選通；無效期間,復(fù)制，保證對RAM的正常讀寫；
（13）RAM芯片片選輸入。μP產(chǎn)生的使能信號先接，經(jīng)復(fù)制后再接RAM的片選，以保證系統(tǒng)正常工作時對RAM的正常讀寫，在復(fù)位期間禁止對RAM的操作，保護RAM中的數(shù)據(jù)；
（14）看門狗輸出。WDI電平保持不變超過設(shè)定時間，將輸出低電平；
（15）負復(fù)位輸出。當(dāng)VCC下降至復(fù)位門限電壓（4.65V）以下，有效時，輸出低電平；當(dāng)VCC由低電平上升至高于復(fù)位門限電平，還將保持低電平50ms。在有效期間，一直為高電平；
（16）RESET正復(fù)位輸出。

2.3ADM691復(fù)位時序

ADM691的復(fù)位時序如圖2所示。

高可靠性掉電保護電路設(shè)計　

圖2ADM691復(fù)位時序

3掉電保護電路設(shè)計

3.1硬件設(shè)計

圖3給出了MCS-51單片機應(yīng)用系統(tǒng)中ADM691與76C88組成的掉電保護電路原理圖。

高可靠性掉電保護電路設(shè)計

圖3MCS-51系統(tǒng)掉電保護電路原理圖

76C88是CMOS型的RAM芯片，其容量為8Kbit，它有兩個片選端和CS2，只有為低電平同時CS2為高電平時才能對它進行操作。因此將CS2接ADM691的輸出端，同時寫允許信號通過ADM691的使能控制輸入端和輸出端，間接從MCS-51的引入，保證在系統(tǒng)復(fù)位期間不能讀寫，有效地保護了76C88中的數(shù)據(jù)。結(jié)合圖2ADM691的復(fù)位時序，圖3的電路工作原理分析如下：

上電過程：當(dāng)Vcc從0V上升到復(fù)位門限4.65V時，輸出仍將維持有效電平50ms，以保證電源電壓正常后系統(tǒng)的有效復(fù)位。有效期間76C88的CS2處于低電平，即片選信號無效，保證上電過程中片內(nèi)數(shù)據(jù)不被改寫。當(dāng)VCC大于VBATT時，VOUT自動切換到與VCC相接，76C88轉(zhuǎn)由VCC供電。

正常工作：在此狀態(tài)下，CS2為高電平，通過ADM691的使能電路復(fù)制，系統(tǒng)能對76C88進行讀寫操作。為提高系統(tǒng)的可靠性，在應(yīng)用程序中插入看門狗觸發(fā)指令，即P1.7的置位/復(fù)位指令，當(dāng)程序正常執(zhí)行時經(jīng)常觸發(fā)WDI。在程序“跑飛”超過1.6s不能觸發(fā)看門狗時，RESET變高使系統(tǒng)復(fù)位。在此期間VCC通過二極管D1、電阻R1給后備電池充電。

掉電過程：當(dāng)VCC從正常電壓下降到復(fù)位門限4.65V時，立即有效，CS2變成低電平，76C88進入保護狀態(tài)。保證掉電過程中片內(nèi)數(shù)據(jù)不被改寫。當(dāng)VCC小于VBATT時，VOUT自動切換到與VBATT相接，76C88轉(zhuǎn)由后備電池供電。

對多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)，上電復(fù)位后程序從頭開始即能滿足要求，但對某些系統(tǒng)如由多道工序組成的流水線控制系統(tǒng)，突然停電后再來電時應(yīng)接著原來的工序往下執(zhí)行，這就要求計算機記錄停電瞬間的系統(tǒng)參數(shù)，重新來電時根據(jù)記錄的參數(shù)繼續(xù)往下執(zhí)行。利用ADM691的電源報警功能，能方便地達到這一目的。分析圖3可知適當(dāng)調(diào)節(jié)R4，當(dāng)VCC下降到4.80V時，產(chǎn)生負跳變，向單片機發(fā)中斷請求，VCC從4.8V降到4.65V有幾個毫秒的時間，足夠單片機執(zhí)行幾百條甚至上千條指令，利用這段時間在中斷服務(wù)程序中保護斷點及實時參數(shù)。重新來電后轉(zhuǎn)返斷點繼續(xù)執(zhí)行。

3.2軟件設(shè)計

圖3所示單片機系統(tǒng)的軟件可分成主程序和電源報警中斷服務(wù)程序兩部分。主程序中必須插入指令經(jīng)常觸發(fā)WDI，且間隔時間不能超過1.6s，報警中斷必須設(shè)置為非屏蔽中斷，MCS-51無，可以將高可靠性掉電保護電路設(shè)計設(shè)置成唯一的一個高級中斷以替代。程序流程圖如圖4所示。

高可靠性掉電保護電路設(shè)計

（a）主程序流程

高可靠性掉電保護電路設(shè)計

（b）電源報警中斷服務(wù)程序流程

圖４　軟件流程圖

4結(jié)束語

將系統(tǒng)復(fù)位與掉電保護結(jié)合起來，能有效的解決RAM保護與系統(tǒng)復(fù)位不協(xié)調(diào)引起的系統(tǒng)工作不穩(wěn)定現(xiàn)象，以ADM691微處理器監(jiān)控電路構(gòu)成的單片機掉電保護電路，在電腦加油機等系統(tǒng)中應(yīng)用表明，效果十分理想。

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