纯硬件方案模拟手动开关机，解决国产CPU断电间隔短无法启动问题

导语：

本案例中的一个问题可能是很多***的通病，可以提供一种解决思路。

很多国产基于ARM内核的厂商都是从平板起家，对于工控的应用场合还是处于刚起步的阶段，在国产化的潮流下，很多芯片的bug也只能与供应商一起解决。本案例中的一个问题可能是很多***的通病，可以提供一种解决思路。

1问题描述

我们的产品使用了国内某知名芯片厂商提供的方案，该芯片是其第一款用于工业产品的主CPU，综合贸易战和性价比的考虑，我们第一次尝试国产的主芯片替代TI的，在实际使用过程中，出现以下的现象：

1、我们设置为开机自动启动，无需人工按下开关机，这是工控的正常需求；

2、在冷启动（关机30mim后再启动），设备启动正常；

3、热启动（关机后20min内启动），设备后很大概率不能启动，间隔时间越短，启动失败的概率越大。

2原因分析

经过多次的排查分析，我们找到了失败的规律，使用示波器挂载在主芯片的VDD3.3V端，如果设备启动时，芯片的VDD3.3V的电压大于2V，则启动100%失败，如果VDD3.3V的电压小于1V，则启动100%成功。说明该主芯片启动时，芯片的VDD不能有过高的电压。

但是由于我们是工控产品，工控产品为了应对浪涌以及电压跌落，内置的电容都较多，VDD3.3V上的总电容超过了500uF，当产品掉电以后，负载变轻，电容的放电时间更长。

最初我们有考虑过增加放电电阻加快放电时间。但是带来2个问题：

（1）、产品的功耗增加

（2）、功率增加影响掉电保存。

经过厂家的连续攻关一个多月，问题依然无解；厂家也认可是他们的问题，无耐技术能力有限，不过厂商提供了一个思路，该主芯片是基于平板电脑开发的，平板电脑上有一个开机按键power-on（对地短路），设备在关机时，长按超过1S，设备则开机，此时无需关注VDD电压是否有电压；在开机状态时，长按超过6S，则设备强行关机。

3解决方案

经过厂家的指引，我们只要设计一个电路，模拟人工开关机动作即可，要求如下：

1、在开机时，强制将Power-on引脚对地短路1S以上，无论是冷启动还是热启动，为了留足余量，该时间设置为2S，设备启动后2S后，将该引脚与地断开，避免设备强行关机。

2、正常工作时，该引脚与地断开，避免设备强行关机。

3、本次关机与下一次开机之间，超过1S（考虑人操作很少在1s内开关机两次），需要能正常启动。

4、为了保证可靠性，不能用软件实现；

经过内部的讨论以及仿真，决定采用如下的方案：

S1模拟用户的开关机

C点为控制芯片的开关机

D点模拟芯片的内部的VDD电源。

1、用户开机时，电流通过S1、R1、C1、R1，开机瞬间，电容相当于短路，因此电容的下端即B点电压为高电平，此高电平只要大于3.6V，即可以将mos管Q1打开，将C点进行对地短路，实现开机时进行对地短路的需求。

2、R1、R2构成一个分压电路，上电瞬间，C1的两端电压相等，都是12V，随着C1被充电，C1的上端电压被抬高，下端电压被降低。

3、当C1 的下端电压降低到小于3.6V时，mos管关闭，C点电压为高电平，即模拟按键开关断开。

4、当VCC24V掉电时，即S1连接到地，C1上的电容通过D2、D1进行放电，瞬间即可以将C1的电放完，避免下次上电时，由于C1上有过高的电压，导致充电的时间较短。

仿真图

理论计算过程：

电容的充电计算公式可以适用以下公式：t = RC*Ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]，其中的含义如下图所示，经过计算，按照上图1中的参数计算，理论的第一次上电的延迟短路的时间为2.38S。实际仿真上电延迟短路的时间为2.5S，理论是仿真数据相当。值得注意的是，第一次断电时间1S后马上上电，上电的延迟时间只有1.7S，比第一上电快很多，原因是第一次断电后电容还有电，再次充电的时间不是从0开始，导致充电的时间变短，因此实际设计过程，应该需要定义后两次开关机的最快时间，本次最快设计为1S。

参数选择

两次开关机的上下电波形。

4总结

本次纯硬件的方案模拟人工开关机，主要利用了RC充放电、MOS管开启电压约3.5V，二极管单向导通的功能，读者在复用过程，还需要注意以下3点：

1、仿真没有考虑二极管的漏电流，二极管的漏电流可达10uA，如果电阻R1、R2的值太大，二极管的漏电流不得不考虑，否则会严重影响理论计算和仿真。

2、Mos管是电压导通型，对干扰很敏感。实际使用过程中，来自VCC24V的电取自电源端口，干扰非常大，因此最好经过π型的高阻抗滤波，例如使用1500Ω以上的磁珠构成π型滤波。

3、规格中必须定义两次开关机的最短时间，时间太短的话，由于电容没有放完电，会严重影响下次的充电时间。

审核编辑：汤梓红