復(fù)位電路設(shè)計(jì)分析

復(fù)位對(duì)數(shù)字電路的重要性

我們?cè)跀?shù)字電路設(shè)計(jì)時(shí)，為了使系統(tǒng)在上電后處于 已知的確定狀態(tài) ，常使用復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)這一目的。復(fù)位是數(shù)字邏輯電路所必須的，無論是最簡(jiǎn)單的數(shù)字時(shí)序邏輯門電路，還是復(fù)雜的 MCU、ARM、DSP、FPGA 系統(tǒng)，凡是有時(shí)序要求的數(shù)字邏輯電路系統(tǒng)，都需要復(fù)位信號(hào)。復(fù)位狀態(tài)通常是一個(gè)電路系統(tǒng)的初始條件，復(fù)位信號(hào)的有效使電路的狀態(tài)進(jìn)入設(shè)計(jì)者預(yù)先設(shè)定的狀態(tài)，通常在系統(tǒng)初始化時(shí)或者系統(tǒng)死機(jī)硬重啟時(shí)有效。通常復(fù)位信號(hào)還與系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)序密切相關(guān)，它與系統(tǒng)各電源域的時(shí)序必須滿足一定的先后關(guān)系，系統(tǒng)才能正常運(yùn)行?？梢?，復(fù)位信號(hào)在系統(tǒng)中具有十分重要的地位。

最簡(jiǎn)單的復(fù)位電路分析

在一些時(shí)序和可靠性要求不高的場(chǎng)合，RC 電路是最為常用的復(fù)位電路形式。復(fù)位信號(hào)一般有高有效和低有效兩種形式，對(duì)應(yīng)的電路形式如下圖所示，下圖的左側(cè)為低有效形式，而右側(cè)為高有效形式。

RC復(fù)位電路

下面對(duì)左側(cè)低有效電路做簡(jiǎn)要分析。根據(jù)電路的零狀態(tài)（電路中所有的源為 0 的狀態(tài)）響應(yīng)特點(diǎn)，當(dāng)電路上電時(shí)，電源電壓 VCC 立即達(dá)到穩(wěn)定值，電容 C1 兩端電壓為 0V；隨后電路通過 R1 對(duì) C1 充電，隨著時(shí)間推移，C1 電壓逐漸上升。當(dāng) VRST 的電壓達(dá)到芯片的 時(shí)，芯片復(fù)位完成，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

我們把 RC 叫作 RC 電路的時(shí)間常數(shù)，若令 **\\tau=RC**，根據(jù)電路理論，可以推導(dǎo)出 RC 電路中電容兩端電壓(VRST)隨充電時(shí)間 t 的變化關(guān)系。其公式如下：

可見，隨著時(shí)間的推移，VRST 將逐漸接近 VCC，但理論上永遠(yuǎn)不能達(dá)到 VCC。一般當(dāng) 時(shí)電壓可上升到 0.63VCC； 時(shí)，VRST=0.86VCC； 時(shí)，VRST=0.95*VCC； 時(shí)，VRST=0.98*VCC； 時(shí)，VRST=0.99*VCC；工程上一般認(rèn)為到了 就算充電完成了。

下圖是串聯(lián) RC 電路的仿真結(jié)果驗(yàn)證，其中，R=10Kohm，C=10uF，也即 ，可見，其結(jié)果與理論分析完全吻合。

RC充電時(shí)間常數(shù)

簡(jiǎn)單復(fù)位電路的改進(jìn)

上述復(fù)位電路雖然簡(jiǎn)單，但也存在一定的缺陷，如前所述，其只能用于時(shí)序和可靠性要求不高的場(chǎng)合。當(dāng)電路掉電時(shí)，電容 C 兩端電壓接近 VCC，而電源電壓則從 VCC 開始跌落直到 0V。由于芯片的 RST 引腳通常為高阻態(tài)，電容 C1 只能通過電阻 R1 放電，放電時(shí)電容兩端電壓與時(shí)間滿足關(guān)系：

對(duì)于上述電路，其放電波形及對(duì)應(yīng)的時(shí)刻如下如：

RC放電時(shí)間常數(shù)

可見，放電過程比較緩慢， 時(shí)，VRST=0.37*VCC。如果電路在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生掉電，并立即上電，那么可能存在由于電容兩端的電量沒有放盡，導(dǎo)致此時(shí)雖然電源已經(jīng)重新上電，但由于復(fù)位電平不夠低，復(fù)位并未可靠起效，引起系統(tǒng)狀態(tài)紊亂。

如何通過電路設(shè)計(jì)改進(jìn)該問題呢？其實(shí)改動(dòng)也很簡(jiǎn)單，由于此時(shí)限制放電速度的是充電電阻，因此，只需要在電阻兩端反向并聯(lián)一只二極管，此二極管在電路上電時(shí)反偏，不影響電容充電。而當(dāng)電源掉電時(shí)，二極管正偏導(dǎo)通，將短接電阻兩端，形成電容的快速放電通路。電路如下所示：

改進(jìn)的RC復(fù)位電路

下面我通過搭建實(shí)際電路，測(cè)試了沒有放電二極管和增加放電二極管時(shí)電路充放電狀態(tài)的對(duì)比，分別如下圖所示：

RC復(fù)位上電對(duì)比

RC復(fù)位掉電對(duì)比

圖中黃色曲線為 VCC 電壓，而紫色曲線為 VRST 電壓，左邊為未加二極管的曲線，右邊為增加后的情況，可見，該二極管對(duì)充電過程沒有影響，只對(duì)掉電時(shí)的 VRST 下降速率有幫助。不過，這里也發(fā)現(xiàn)當(dāng) VRST 下降到一定值后仍然會(huì)比電源下降略慢，這是由于我這里使用的是高速開關(guān)二極管 1N4148，該二極管具有較高的正向?qū)▔航担∕ax.=1V），因此，會(huì)在導(dǎo)通時(shí)致使 VRST 與電源間存在壓差，這里最好使用 肖特基二極管 ，能夠保證足夠低的正向壓降，更有利于 VRST 的快速掉電。

使用專用復(fù)位芯片

在一些要求比較高的場(chǎng)合，由于 RC 電路的時(shí)間常數(shù)受器件的離散型和溫度影響較大，復(fù)位時(shí)間波動(dòng)較大，RC 電路也不能實(shí)現(xiàn)電源軌的監(jiān)控，因此簡(jiǎn)單的 RC 電路并不能滿足電路性能的要求。這時(shí)候就需要使用專用的復(fù)位芯片來達(dá)到更可靠的復(fù)位。

一般專用的復(fù)位芯片在功能方面都比較全面。比如支持手動(dòng)復(fù)位，支持單/多電源域監(jiān)控（電源看門狗），支持開漏/推挽輸出，支持復(fù)位釋放時(shí)間可調(diào)（如 LM8365）等。

電壓監(jiān)控器是監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)一個(gè)或多個(gè)電源軌的器件。電壓監(jiān)控器可以檢測(cè)欠壓事件（電壓低于某個(gè)閾值）或過壓事件（電壓超過某個(gè)閾值）。根據(jù)器件狀態(tài)的不同，當(dāng)受監(jiān)控的電壓軌電壓低于或高于預(yù)設(shè)的閾值電壓時(shí)，電壓監(jiān)控器會(huì)將信號(hào)置為使能、禁用或復(fù)位其他器件。

部分電壓監(jiān)控器可以同時(shí)監(jiān)控欠壓和過壓情況，稱為 窗口檢測(cè)器 。電壓監(jiān)控器旨在確保系統(tǒng)正常上電，防止處理器發(fā)生欠壓，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，避免因電壓軌超出規(guī)范而產(chǎn)生性能問題或系統(tǒng)故障。其工作原理通過下圖表征：

電壓監(jiān)控器原理

帶有電壓監(jiān)控器功能的復(fù)位 IC，能夠保證復(fù)位的釋放發(fā)生在電源供應(yīng)正常之后，從而確保可靠復(fù)位。同時(shí)，若電源出現(xiàn)過壓或跌落故障，芯片還能及時(shí)保護(hù)處理器，并在電源恢復(fù)后執(zhí)行可靠復(fù)位重啟。

為了適應(yīng)不同的應(yīng)用，復(fù)位 IC 通常還支持可選的高電平有效或低電平有效，推挽或開漏輸出。推挽和開漏指的是輸出驅(qū)動(dòng)的類型，推挽輸出在輸出端使用兩個(gè)晶體管。當(dāng)頂部晶體管導(dǎo)通時(shí)，輸出設(shè)置為高電平；底部晶體管導(dǎo)通時(shí)，輸出設(shè)置為低電平。開漏輸出僅使用一個(gè)晶體管，通過其將輸出設(shè)置為低電平，同時(shí)另外使用一個(gè)上拉電阻代替頂部晶體管設(shè)置高電平輸出。下圖展示了開漏和推挽兩種輸出類型：

開漏和推挽輸出

推挽式輸出的優(yōu)點(diǎn)是速度快并且功耗低。然而，開漏輸出可以將多個(gè)監(jiān)控器件的輸出連接在一起，形成或/與邏輯輸出配置，方便多電源軌的監(jiān)控控制。

下圖展示了來自 TI 的 LM3710 的典型應(yīng)用電路和對(duì)應(yīng)的時(shí)序圖，除標(biāo)準(zhǔn)復(fù)位功能外，LM3710 還支持手動(dòng)復(fù)位（MR）、電源故障輸入（PFI）、看門狗輸入（WDI）、看門狗定時(shí)器和低電壓線路輸出，支持為眾多應(yīng)用提供所需的靈活性。

上圖中所示的應(yīng)用電路使用 R1 和 R2 作為與 VIN2 相連的分壓器，以便設(shè)置電源故障的復(fù)位閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)第二電源的監(jiān)控。如果第二電源的電壓降至電源故障復(fù)位閾值以下，PFI 引腳將變?yōu)榈碗娖?，PFO 引腳也隨之降至低電平。

此引腳與 MR 引腳相連，因此將觸發(fā)復(fù)位。如果在 WDI 引腳上的看門狗窗口內(nèi)未檢測(cè)到任何“喂狗”活動(dòng)，也會(huì)發(fā)生復(fù)位。WDI 引腳可以與微處理器相連，通過使微處理器發(fā)送間歇性脈沖，檢測(cè)其是否仍然正常工作。

當(dāng) VCC 處的電源電壓降至比復(fù)位電壓閾值低 2%左右時(shí)，低電壓線路輸出(LLO)引腳將變?yōu)榈碗娖?。LLO 引腳可以連接微處理器進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)此引腳進(jìn)入激活狀態(tài)后，發(fā)送到微處理器的信號(hào)可能觸發(fā)其他操作，例如向另一器件發(fā)送信號(hào)，或以 LED 閃爍等形式向用戶報(bào)警。

時(shí)序圖所示為監(jiān)控第二電壓輸入(VIN2)的示例。當(dāng)與 PFI 引腳相連的 VIN2 變?yōu)榈碗娖胶?，PFO 引腳也將變?yōu)榈碗娖?，進(jìn)而導(dǎo)致 MR 引腳降為低電平，隨即觸發(fā)復(fù)位。使用電源故障和手動(dòng)復(fù)位功能的方法多種多樣，用戶可以根據(jù)應(yīng)用需求自行選擇。

總結(jié)

復(fù)位電路在數(shù)字系統(tǒng)中必不可少，看似簡(jiǎn)單的復(fù)位電路，其實(shí)在設(shè)計(jì)中也有許多關(guān)鍵點(diǎn)需要考慮，有時(shí)候更是決定了系統(tǒng)的可靠性與功能。如今很多芯片都內(nèi)置了基本的復(fù)位電路，如 POR（上電復(fù)位），并支持一定的可配置。復(fù)位電路作為系統(tǒng)的敏感信號(hào)，在原理圖設(shè)計(jì)和 Layout 時(shí)都需要格外小心，做好防護(hù)，防止受到如 ESD 之類的干擾。

針對(duì)最簡(jiǎn)單的 RC 復(fù)位電路，本文給出了一種通過增加肖特基二極管而實(shí)現(xiàn)的高性價(jià)比的優(yōu)化方案，并對(duì)電路性能做了實(shí)驗(yàn)分析。如果你的系統(tǒng)需要更高的可靠性，那么，選用專用的復(fù)位和監(jiān)控 IC 將是不錯(cuò)的選擇，這些芯片通常具備豐富的功能和足夠的靈活性，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供更完整的可靠性保障，當(dāng)然，這些是需要付出成本的。