一文解析看門狗電源的分類、系統(tǒng)框圖、工作原理以及典型應(yīng)用

隨著汽車電子對(duì)功能安全等級(jí)的要求提高，越來(lái)越多的汽車電子系統(tǒng)也用上了看門狗（Watchdog）功能來(lái)提高電源的安全性和可靠性，以滿足功能安全的要求。本文將介紹帶看門狗電源的分類、系統(tǒng)框圖、工作原理以及典型應(yīng)用。

通常，我們將帶有看門狗的電源分為三類：

• 基本型看門狗電源
• 窗口型看門狗電源
• 問(wèn)答型看門狗電源

1. 基本型看門狗電源

1.1系統(tǒng)框圖

圖1：線性穩(wěn)壓器L4995的系統(tǒng)框圖。

以意法半導(dǎo)體（ST）的線性穩(wěn)壓器L4995為例，從其系統(tǒng)框圖（圖1）中可以看到，基本型看門狗電路基本有以下三種功能引腳：

• 基本功能引腳

– Vin（電池輸入）

– Vo（穩(wěn)壓器電壓輸出）

– GND

• 用3個(gè)引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)看門狗的功能（Wi、Vcw、Res）

– Wi（WD PWM輸入）

– Vcw（WD電容器引腳）

– Res（復(fù)位）

• 保護(hù)功能（沒(méi)有列出所有的保護(hù)功能）

– 負(fù)載電流限流

– 溫度關(guān)斷

1.2 工作原理

圖2：L4995工作原理。

連接的微控制器由看門狗輸入Wi監(jiān)控。如果脈沖丟失，復(fù)位輸出引腳設(shè)置為低（圖2）。利用外部電容器Ctw，可以在較寬的范圍內(nèi)設(shè)置脈沖序列時(shí)間。看門狗電路用恒流Icwd向電容器Ctw放電。如果達(dá)到較低的閾值Vwlth，將看門狗重置。

每個(gè)Wi正邊沿將電流源從放電切換到充電。當(dāng)達(dá)到較低的閾值時(shí)也會(huì)發(fā)生同樣的情況。當(dāng)電壓達(dá)到上限時(shí)，電流從充電切換到放電，其結(jié)果是一個(gè)鋸齒波。Vcw為看門狗定時(shí)器電容器Ctw處的電壓。

2. 窗口型看門狗

2.1系統(tǒng)框圖

圖3：低壓差穩(wěn)壓器TLE7273-2系統(tǒng)框圖。

英飛凌（Infineon）的低壓差穩(wěn)壓器TLE7273-2中所內(nèi)置的看門狗即為窗口型看門狗，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

2.2 工作原理

圖4：TPS7A63xx-Q1內(nèi)置看門狗的窗口持續(xù)時(shí)間。

以TI低壓差穩(wěn)壓器TPS7A63xx-Q1為例，如圖4所示，每個(gè)看門狗窗口由一個(gè)打開(kāi)的窗口和一個(gè)關(guān)閉的窗口組成，每個(gè)窗口的寬度約為看門狗窗口的50%。但有一個(gè)例外：看門狗初始化后第一個(gè)打開(kāi)的窗口是看門狗窗口持續(xù)時(shí)間的8倍。除看門狗初始化后打開(kāi)的窗口外，所有打開(kāi)的窗口都是看門狗窗口寬度的一半。初始化時(shí)，看門狗只能在打開(kāi)的窗口中接收服務(wù)（通過(guò)軟件、外部微控制器等）。在關(guān)閉的窗口中維護(hù)的看門狗，或在打開(kāi)的窗口中不維護(hù)的看門狗，會(huì)造成看門狗的報(bào)錯(cuò)。

3. 問(wèn)答型看門狗

3.1系統(tǒng)框圖

用德州儀器（TI）的TPS65381（用于安全關(guān)鍵型應(yīng)用中的微處理器的多軌電源）的系統(tǒng)框圖（圖5）來(lái)示意帶有問(wèn)答型看門狗的結(jié)構(gòu)。

圖5：TPS65381系統(tǒng)框圖。

3.2 工作原理

下面用DRV3205-Q1（TI的一款用于汽車安全應(yīng)用的具有3個(gè)電流感應(yīng)放大器的三相電機(jī)前置驅(qū)動(dòng)器IC）的問(wèn)答型看門狗來(lái)解釋一下具體的工作原理（圖6）。

圖6：看門狗定時(shí)器簡(jiǎn)化流程圖。

問(wèn)答型看門狗通過(guò)SPI發(fā)送特定的消息序列定期進(jìn)行操作。根據(jù)單片機(jī)的請(qǐng)求，DRV3205-Q1向SPI上的MCU，鎖定在WDT_ANSWER令牌U值寄存器中。單片機(jī)執(zhí)行一系列固定的對(duì)令牌值進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，并將生成的令牌值返回給MCU通過(guò)寫入WDT_ANSWER應(yīng)答寄存器的SPI。DRV3205-Q1設(shè)備驗(yàn)證MCU是否返回令牌值在指定的時(shí)間窗口內(nèi)產(chǎn)生（應(yīng)答），并且令牌值響應(yīng)（答案）正確。

● 當(dāng)MCU在正確的時(shí)間窗口內(nèi)執(zhí)行與看門狗相關(guān)的SPI通信時(shí)，并返回正確計(jì)算的響應(yīng)（答案），看門狗認(rèn)為這是好事件。

● 當(dāng)MCU在正確的定時(shí)窗口外執(zhí)行與看門狗相關(guān)的SPI通信時(shí)，或返回錯(cuò)誤計(jì)算的令牌響應(yīng)（答案），或返回錯(cuò)誤的正確答案順序，看門狗認(rèn)為這是壞事件。

● 當(dāng)MCU在看門狗超時(shí)期間暫?？撮T狗相關(guān)的SPI通信時(shí)窗口，看門狗將此視為無(wú)響應(yīng)事件。

● 內(nèi)部計(jì)數(shù)器存儲(chǔ)wd_fail_cnt寄存器中的錯(cuò)誤響應(yīng)數(shù)，該寄存器觸發(fā)。

● 如果wd_fail_cnt達(dá)到預(yù)先定義的限制，則失敗。通過(guò)在wd_fail_max中指定限制注冊(cè)后，可以為壞事件的數(shù)量設(shè)置一個(gè)緩沖區(qū)。

問(wèn)答型看門狗目前用在對(duì)應(yīng)功能安全等級(jí)ASIL-C/D的汽車系統(tǒng)中，例如EPS。但這個(gè)電路的缺點(diǎn)就是增加了控制軟件的復(fù)雜度，同時(shí)也增加了硬件的成本，需要依據(jù)具體的系統(tǒng)要求來(lái)選用。

綜上所述，汽車中帶有看門狗功能的電源依據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合可以合適地選用。需要在成本、復(fù)雜性、可靠性和功能安全等方面進(jìn)行綜合權(quán)衡后得出一個(gè)折衷的選擇。

編輯：hfy