保持产品正常工作—微处理器监控器以小封装提供大保险

讨论μP监控器复位电路在基于微处理器的系统中的价值。解释与监控电路相关的术语以及如何实现这些术语。讨论的主题包括上电复位（POR）、掉电条件和低功耗故障。讨论的特性包括欠压/过压检测、手动复位输入、电源故障比较器和看门狗定时器。

还探讨了具有芯片使能门控功能的电池备份电路。此外，本文档还讨论了多电压系统等未来需求。

世界给微处理器系统设计人员带来了各种各样的问题。电源以错误的顺序启动，上升速度太慢，稳定速度太慢。电源电压会因外部元件负载而上下毛刺，或者随着总线电压波动或系统电池开始失效而漂移进出容差。外围组件和主板无法通电，也无法与处理器的需求同步通信。尽管进行了冗长的引入前软件分析，但错误还是潜入系统代码并被运送到现场。

系统设计人员尽其所能在固定成本预算内最大限度地减少这些事件，但细心的工程师希望他们的系统即使在出现问题时也能安全运行。他们希望确保基于微处理器的系统每次都能正常启动;它检测到系统错误何时发生或即将发生;它最大限度地减少了这些错误的影响;并且它从错误中安全返回，很少或没有用户干预。

现代微处理器-监控电路是监控和维护此类系统活动的低成本和有效方法。应用过去几年开发的技术，今天的主管提供微处理器系统所需的保险。它们具有低功耗、低成本和广泛的集成功能，采用非常小的封装。

上电复位

微处理器系统的第一个也是最常用的保护措施是上电复位（POR）功能。几乎每台计算机和嵌入式处理器都包含一种在首次通电时以正确配置冷启动系统的方法。大多数处理器数据手册都提供了最短复位周期，在此期间，器件应保持不工作状态，直到本地电源稳定指定的时间间隔（典型值为 200ms）。如果处理器太快退出复位，则不能保证正常运行。在此复位间隔期间，允许处理器的时钟稳定，内部寄存器有时间正确加载。大多数处理器数据手册都规定了最短复位时间，但它们几乎没有提供实现此延迟的指南。

一种价格低廉但有风险的常用方法是在微处理器的复位输入引脚上使用电阻电容（RC）低通滤波器延迟复位信号（图1）。您可以选择组件值，以根据缓慢的指数RC上升时间提供广泛的复位延迟。当电容器从地充电至 V 时抄送，电压超过微处理器识别为有效（高）输入电压（VIH).此操作使处理器脱离重置，并且它应该（理想情况下）开始正常运行。不幸的是，这种方法有几个缺点。

图1.电阻-电容复位延迟电路

第一个上电问题出现在电源电压相对于处理器的复位时间段缓慢上升时。电容电压紧随V抄送用于低压摆率。因此，处理器的复位输入电压可以达到有效的VIHV之前的级别抄送到达为设备指定的容差范围内。例如，对于容差为±3%的3.10V电源，复位在V之前不应取消置位抄送> 2.97V.但是，该系统可以达到最小VIH2.31V 电平（大多数处理器为 0.7Vcc），早在电源准备好用于处理器运行之前。也就是说，当电源仍比其标称工作电平低 20% 或更多时，处理器可以从复位中释放。

RC电路的第二个缺点是大多数处理器需要较长的复位延迟间隔（典型值为200ms），这迫使处理器复位输入端的压摆率较低。复位逻辑输入通常设计用于识别从V快速转换的数字信号伊利诺伊州到 VIH.滤波至慢μV/μs压摆率的延迟复位电压不会为处理器的数字输入提供足够的过驱，这种情况会导致复位亚稳态。RC滤波器和处理器输入之间的施密特触发器可以提高表观压摆率，但它本身也会引起上电问题（除了额外的成本和元件面积）。

掉电和毛刺检测

掉电检测是第二常见的复位要求，与POR密切相关，突出了低成本RC延迟电路的第三个问题。假设RC延迟为处理器在释放复位之前正确初始化提供了一个合理的间隔，那么如果电源电压在任何重要的时间间隔内毛刺或下降低于其工作容差，系统将面临风险。

由于选择RC电路是为了在复位信号上产生较长的上升时间延迟，因此它会在滤波后的复位信号降至V之前滤除相对较快的欠压毛刺伊利诺伊州.快速的负毛刺（相对于复位延迟时间）会对处理器的内部寄存器造成严重破坏，迫使其执行错误的指令、处理不正确的数据或发出危险的系统信号。一个可以长期维持的供应下降，可以带来 V抄送低于处理器的工作容差，同时保持复位电压高于其复位开关阈值。

改进但仍然有风险的解决方案在RC电路中增加了一个二极管，从而为大的负向V创建快速滤波器响应抄送信号（图2）。作为 V抄送降至充电电容电压以下时，二极管导通并向下拉复位信号。这种方法对于 V 的硬降是令人满意的抄送，但较小的压降（掉电）可能无法打开二极管。例如，对于2.5V处理器，在二极管开始对电容电压放电之前，电源必须下降20%以上。如果毛刺或压降大于处理器容差，但小于二极管的正向导通电压，则即使电源恢复到其全部V，处理器的内部寄存器也可能损坏。抄送不触发处理器重置的规范。

图2.改进的RC延迟电路。

集成复位发生器

与RC延迟电路相关的问题可通过IC复位发生器（如SOT23 MAX6332×MAX6334和SC70 MAX809/MAX810/MAX803）轻松解决。通过将精确的电压监视器与精确的定时电路集成在一起，这些现代复位发生器可检测电源电压何时在处理器的容差范围内，并提供有保证的复位延迟。

典型的复位器件（图3）包含一个基准电压源、一个电压比较器、一个电源电压分压器网络、一个固定延迟时间电路和一个输出驱动器级。电阻网络可在工厂针对宽范围的电源电压容差进行调整，允许用户为每个处理器应用选择特定的复位阈值。复位发生器的精确电压检测器与其逻辑输出级无关，不依赖于处理器的高电平和低逻辑输入电平来确定电源何时在其允许的工作容差范围内。

图3.集成复位电路。

对于POR，内部电压比较器仅在电源电压超过所选阈值足够长时间时打开延迟电路。延迟发生器提供处理器兼容的复位时间范围为 1ms 至 1s，使输出级保持复位状态，直到最小指定周期到期。然后，发生器输出（提供多个逻辑选项）被取消置位，以快速驱动处理器从复位状态并进入正常工作状态。

大多数复位发生器中的电压比较器还可以检测电源电压何时降至处理器容差以下。如果它下降到所选阈值以下足够长的时间，复位输出会快速置位其活动驱动器逻辑，以挂起并重新初始化所有处理器活动。复位可以随时激活：电源的锯齿状启动，大V抄送系统出现故障、掉电或关机。

重置阈值

宽范围 V抄送复位阈值在当今的行业中可用。许多供应商为标称电源电压 5、3.3、2.5、1.8 和 1.2V 提供标准复位选项。客户可以选择一个标准的固定复位门限，以匹配给定的标称处理器电源电压及其最小容差。或者选择可调复位门限，以监视低至0.5V的更宽电压范围（MAX16052/MAX16053）。复位容差通常在-5%和-10%的处理器兼容选项中提供。对于非标准固定复位电压，一些供应商在宽V电压上提供100mV击穿抄送范围为 1.2V 至 5V。这种灵活的范围允许用户针对元件容差和电源电压的特定组合优化阈值。

更严格的复位门限精度通常有助于支持更宽松、成本更低的电源规格。例如，保证其5V±10%处理器工作的系统需要在电源降至4.5V之前初始化复位。如果监控设备的精度为 ±2.5%，则在整个温度范围内相对于标称 V 保证抄送，典型复位门限为4.625V，最大复位门限为4.75V。由于监控器的精度规格为 ±2.5%，处理器可以重置为任何 V抄送低于4.75V，保证在V之前复位抄送降至4.5V以下。

为了支持监控器精度开销并避免出现未知复位条件的区域，应将最终电源指定为更严格的最小限值 （4.75V）。由此产生的 5V、-5%/+10% V抄送规格可能会大大增加电源成本。因此，更精确的±1%或±1.5%的监控器虽然比±2.5%的设备更昂贵，但实际上可以降低系统成本。

现代复位发生器的一个重要功能是最大限度地减少令人讨厌的复位：当短时间的小幅度尖峰将电源电压压低到其允许的最小水平以下时，就会发生不希望的系统重新启动。为了确定是否需要系统复位，电压检测器集成了毛刺持续时间和强度。最大电源瞬态持续时间与过驱的关系图可以说明复位发生器如何响应系统电源中的噪声（图 4）。

图4.最大瞬态持续时间与过载。

欠压/过压检测电路

必须监视某些电源的欠压和过压情况。在许多系统中，过压监控已成为必要的，以防止损坏昂贵的处理器和ASIC。监控过压和欠压条件的窗口检测器可以用两个电压检测器和一个基准电压源构成。或者，也可以使用专用的窗口检测器IC，例如MAX6754系列（图5）。

图5.窗户检测电路。

手动复位

用于手动（按钮）复位的输入是简单复位生成器的有用补充。手动复位允许用户或外部系统组件在电源电压保持在容差范围内时触发微处理器复位。如果处理器由于某种未知原因锁定，手动重置可让您在不关闭系统电源的情况下重新启动。此功能对于从不关闭控制处理器电源的产品尤其重要，即使在“关闭”模式下也是如此。它对于调试和最终系统测试也很有用。在所有情况下，手动复位都可以保证处理器在复位期间收到必要的超时期限。

手动复位通常由低成本按钮开关启动，MAX6335–MAX6337系列等复位器件通常包括输入去抖动电路，以屏蔽接地开关触点闭合引发的振铃效应。由于开关可以远离处理器（通常位于背板上或隐藏在电池或电源仓中），因此最好的手动复位电路通过抑制短（典型值为100ns）噪声引起的脉冲来适应长电路板运行。为了保证有效的复位输入（典型值为1μs），它们还需要一个最小输入脉冲宽度。手动复位可以作为监控器的独立输入实现，也可以作为双功能引脚实现，既用作复位输出，又用作手动复位输入。

一些微处理器现在将上电复位电路与其电源管理功能集成在一起。虽然这些嵌入式复位电路通常优于RC延迟方法，但μP IC工艺针对高速或低功耗数字性能进行了优化，而不是精确可靠的模拟测量和定时。因此，内部复位可以在正常工作条件下提供合理的上电时序，但它们很难处理可能导致处理器错误的电源瞬变和掉电。为了实现稳健运行，大多数处理器提供额外的复位输入，可由外部专用复位监控器驱动。

电源故障和低电量指示灯

许多系统即使电源完全断电且微处理器发生故障，也无法承受数据丢失。电源电压损失导致的硬复位会导致处理器转储其内部寄存器中保存的任何信息。系统可以通过将数据连续保存在非易失性存储器中来最大程度地减少这种潜在的数据丢失，但这种方法会降低处理器效率，并强调闪存或EEPROM存储器的写入耐久性。

由SOT23封装的MAX6342–MAX6345监控器实现的一种改进方法采用电源故障或电池电量不足指示器，使处理器能够预测电源电压损失。通过预先警告，处理器可以在系统启动复位之前将信息存储在非易失性存储器中（图 6）。

图6.电源故障/电池电量不足指示灯。

典型系统通过调节来自主电源或电池的电压为处理器供电。该处理器电源电压由标准上电/掉电复位监控，但独立的低压指示器也监视主电源。该指示器的阈值设置为高于稳压压差，其输出驱动不可屏蔽中断（NMI）。此 NMI 指示处理器开始将数据保存到非易失性存储器中。如果实施得当，低压指示器将提供足够的时间在稳压电压降至处理器的最低工作规格以下之前存储所有数据。

备用电池和芯片使能门控

当系统没有时间将大量数据传输到非易失性存储器时，备用电池是一个有吸引力的替代方案。为了适应双电源供电，SOT23 MAX6361/MAX6363/MAX6364等器件为初级V提供一条输入抄送一个用于板载电池（图 7）。

图7.备用电池。

当电源电平足以维持易失性RAM活动时，内部开关将监控器的电压输出连接到V抄送.当 V抄送低于指定阈值时，管理引擎通过向微处理器发出复位来禁用进一步的内存写入。如果 V抄送下降太低以保持 RAM 内容，管理引擎从 V 切换 RAM 电源抄送到备用电池。具有低挂起电流的存储设备可以长时间保存数据，直到系统V抄送可以恢复到适当的操作水平。如果需要，相同的备用电池过程也可以维持实时时钟和某些处理器活动。

看门狗定时器

即使是设计最好的系统也会受到电源波动以外的误差的影响。错误的程序代码、不正确的时钟信号或响应不良的外设都可能迫使处理器退出其正常运行代码或进入死胡同循环。当处理器离开预期的指令路径时，它可能无法知道它是否运行不正确并需要重新启动。

为了解决这个问题，许多监控IC（如工业标准的MAX823和更新的MAX6316–MAX6318器件）都包含一个看门狗定时器，作为确保处理器在适当的代码边界内执行的低成本手段。此方案要求处理器在指定的最短时间段内不断更新看门狗逻辑输入。否则，管理引擎会发出系统警报（图8）。

图8.看门狗定时器选项。

看门狗常见的行业标准超时时间为 1.6 秒，但供应商提供从 1 毫秒到 1 分钟的选项。由于监视器更新会消耗处理器周期开销，因此应通过询问“在启动重置之前允许系统错误运行多长时间？某些设备允许更长的启动超时（例如 1 分钟），然后再回落到正常的 1.6 秒短超时操作模式。这种双超时功能允许系统在启动期间执行冗长的启动过程，然后负责更快的常规看门狗更新。

看门狗输出有时可以绑定到不可屏蔽的处理器输入，这允许管理引擎尝试使处理器恢复正常运行，而不会丢失易失性内存数据。为了在检测到任何错误时完全重新初始化系统，看门狗可以与 POR/掉电检测输出共同绑定。

许多微处理器现在都提供内部看门狗定时器来监控自己的内部状态。由于看门狗只是处理器的支持功能，因此它通常提供一系列可编程超时周期和禁用选项。处理器还可以通过软件控制修改其看门狗监视器功能。然而，由于可编程看门狗采用与处理器相同的电源电压和时钟输入工作，因此它经常受到与处理器本身相同的瞬态误差的影响。因此，最强大的系统包括一个独立的看门狗，它保证每次都向处理器正确输入。

多电源应用

较新的处理器和许多其他系统需要多电源电压。多电源器件的趋势在高速小尺寸数字信号处理器中尤为明显，它可以与3.3V的标准系统I/O电压通信，但内核逻辑为2.5V或更低。这些器件通常要求在释放 POR 之前，两个电源都在处理器的容差范围内。同样，复杂的接收器系统可以保持四个或五个电源电压（例如12V、5V、-5V、3.3V和2.5V），支持各种模拟和数字组件。任何这些电压的欠压情况都可能导致系统故障。

尽管成本低廉，但简单的RC网络无法同时监视多个电源，同时为系统复位提供单个有效逻辑电平。从历史上看，制造商已经创建了具有多个电源故障/复位检测器的多电源监控电路，或者通过连接多个单电源复位器件的输出来共同创建。然后，任何低于其指定容差的电源电压都会阻止处理器复位的释放。

一些较新的监控器支持单封装设计中的多电压监控（图 9）。MAX6351–MAX6360系列设计用于双电源和三电源应用，为工厂调整的标准复位门限（例如，与3.3V和2.5V电源电压相关的复位门限）提供了多种选择。可调检测器允许用户监视第三个电源电压（如 5V 模拟外设）并推迟处理器启动，直到所有电压都在容差范围内。现代封装和工艺允许Maxim将额外的功能压缩到多电压SOT23复位监控器中，以及延长启动周期的看门狗定时器和手动复位输入。

图9.多电源复位监控。

未来

随着处理器要求从稳步缩小的集成过程中获得更高的性能，我们应该看到更低的工作电压。如果±5%和±10%的当前处理器电源容差保持不变，设计人员将需要更精确的模拟电压检测器来取代其分立元件替代品。成功监测-5mV最大电源偏差的旧250V复位架构可能无法支持具有-1mV欠压限值的新2.60V监视器。由于许多低压系统需要支持一系列双电源设备和变化较慢的传统电源设备，因此对多电压监控以确保正常运行的需求应该变得更加重要。

我们还应该见证新的集成的引入，它将监控器与现在围绕微处理器的其他组件相结合。如果外部芯片为处理器提供电源或通信，则其集成提供了缩小电路板面积、降低功耗和降低成本的机会。目前与监控器结合使用的一些功能包括低压差稳压器、DC-DC转换器、非易失性存储器和实时时钟。

结论

最好的微处理器监控器是如此的设计和应用，以至于客户永远不会知道他们在系统中。此类系统始终正常通电，不会丢失或破坏数据，也不会 意外锁定。

系统设计人员将现代主管视为一种低成本的保险单，可以使产品始终保持工作。主管还可以缩短制造商的上市时间，同时最大限度地减少现场问题、客户服务和故障退货。由于现在提供的产品种类繁多，采用非常小的 SOT23、SC70 和 TDFN 封装，因此您可以优化需要低功耗、低电压、多电源电压和低成本的应用，而不会牺牲其功能。

审核编辑：郭婷