一個高集成度的掉電檢測電路應(yīng)用

本文導(dǎo)讀

一、概述

首先引用一篇微信文章“老板說：你去跳槽，我去跳樓！一場由SD卡引發(fā)的災(zāi)難”

去年上半年，我們公司承接了某大型廣告公司的電梯廣告顯示屏的項(xiàng)目，該產(chǎn)品使用了飛思卡爾的IMX6系列芯片作為主控CPU，具備媒體人機(jī)觸摸互動、媒體投放、遠(yuǎn)程升級、錄像監(jiān)控等功能。其中很重要的一項(xiàng)功能就是監(jiān)控和保存功能，因客戶的報價較低，我們理所當(dāng)然的選擇了SD卡作為錄像數(shù)據(jù)的保存介質(zhì)。

沒想到，災(zāi)難半年后就降臨了，半年前發(fā)貨的10K機(jī)器，每個月都有10%的損壞率，損壞的機(jī)器90%都是SD卡損壞了！客戶不但要求我們賠償SD卡的損失，延長質(zhì)保期，而且威脅一個月內(nèi)不解決將終止合作，客戶是老板的唯一大客戶，丟失這個客戶我們離解散就不遠(yuǎn)。老板甚至放下狠話：一個月內(nèi)不解決，你們跳槽，我跳樓。

經(jīng)過仔細(xì)檢查確定SD卡損壞的原因是設(shè)備上下電導(dǎo)致的。

于是我們采用了如下的方案。其中方案的核心是掉電檢測電路和超級電容繼續(xù)供電電路。掉電檢測電路是用運(yùn)放搭出來的一個比較復(fù)雜的比較電路，由于復(fù)雜這里就不上圖了。圖1是超級電容的充放電電路，增加該電路可以使掉電后繼續(xù)維持2秒鐘的時間，使CPU完成掉電后的保護(hù)處理工作。

圖1 超級電容充放電電路

上述案例結(jié)局辦法是用運(yùn)放搭建掉電檢測電路比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)問題，這里推薦大家一個高集成度的掉電檢測電路。

二、功能簡介：

如圖2所示是CAT706芯片內(nèi)部框圖。CAT706內(nèi)部集成了多種功能，功能強(qiáng)大，使用簡便，此次只重點(diǎn)講解其內(nèi)部的掉電檢測功能。

圖2 內(nèi)部功能框圖

由于內(nèi)部框圖很簡單，可以很容易的分析出有以下四種情況能導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位或中斷：

• VCC供電不符合要求時可導(dǎo)致RESET復(fù)位輸出；

• MR引腳可以手動使RESET復(fù)位輸出；

• 看門狗WDI沒及時喂狗可導(dǎo)致WDO復(fù)位輸出；

• 電源掉電檢測輸入PFI可導(dǎo)致PFO中斷輸出。

針對以上四個功能對嵌入式系統(tǒng)作用如下：

• 可保證VCC供電在穩(wěn)定時單片機(jī)工作，不穩(wěn)定時復(fù)位輸出保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；

• 可人為手動控制單片機(jī)復(fù)位運(yùn)行；

• 看門狗實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，防止系統(tǒng)跑崩潰；

• 及時監(jiān)測供電系統(tǒng)是否掉電從而讓系統(tǒng)迅速處理數(shù)據(jù)。

本篇文章主要就是針對其第四點(diǎn)檢測意外掉電的保護(hù)處理方案。

三、典型應(yīng)用

PFI相當(dāng)于是一個電壓比較器的正輸入端，如果PFI電壓高于1.25V那么PFO就會輸出高電平，如果PFI電壓低于1.25V哪呢PFO就會輸出低電平。如此便可以通過PFI作為輸入將前端的高電壓分壓后接入，從而可以提前檢測到前端的掉電情況。

如圖3所示是CAT706典型應(yīng)用電路及時序圖。原理圖相對比較簡單容易理解，并且畫出了在掉電和上電后各部分的理論波形圖。

一般情況下系統(tǒng)的供電都是由前端市電隔離降壓到相對偏高的直流電壓（如12V），再降壓到系統(tǒng)所需要工作的電壓（如5V/3.3V）。如圖3所示是針對于檢測前端的12V直流電壓的掉電檢測電路。

圖3 典型應(yīng)用電路及時序圖

12V上電時輸出的5V會對大電容充電，圖中串聯(lián)了一個電阻用來限流，當(dāng)?shù)綦姇r電容的電量會通過旁邊的肖特吉二極管直接放電給后端負(fù)載使用。

由于12V掉電到5V/3.3V掉電完成之間有一段時差，所以可以提前檢測12V的掉電情況使單片機(jī)進(jìn)入Interrupt對掉電采取一系列應(yīng)對措施，并且在5V/3.3V掉電完成前完成操作，如圖中的時間T，并且此段時間T與圖中紅色圈的電容值大小有關(guān)，電容值越大時間T就越長（必要時可以考慮使用法拉電容）；且檢測掉電的信號越靠近總電源的前端就越好。

為了增大掉電后的維持時間T，不僅可以增大儲能電容值來達(dá)到目的，也可以將掉電檢測信號往前端挪動，例如將掉電檢測移至最前端的220V市電或前端高壓，市電掉電時到12V掉電中間也有一段時間，這樣就可以間接增加掉電后的維持時間T。

如圖4所示是檢測前端電壓的掉電檢測電路。提前處理掉電信號以此來增加掉電后的電壓維持時間。

圖4 前端掉電檢測電路

以圖3所示的法拉電容放置位置可知隨著掉電后的電壓維持，電容上的電壓會逐漸下降可能會影響到后端系統(tǒng)的工作。為此可以將大電容的充放電電路移至前端的高電壓部分，也可以將降壓電路分為兩節(jié)或三節(jié)降壓連接，如此只需將大電容的放置位置相對往前端挪一節(jié)即可保證在掉電維持的那段時間內(nèi)主系統(tǒng)的工作電壓維持穩(wěn)定。如圖4所示對大電容的擺放位置改動。

四、實(shí)測分析

針對上一節(jié)關(guān)于CAT706原理的推算和實(shí)際效果波形的推算我們做了如下的硬件電路搭建，硬件電路針對圖3搭建。如圖5所示硬件使用洞洞板搭建，用來測試實(shí)際的輸入供電電壓波形，輸出電壓波形以及PFO和RST引腳的波形。

圖5 實(shí)物圖

如圖6所示波形1是輸入的12V電壓波形、波形2是輸出的5V電壓波形、波形3是復(fù)位引腳的電壓波形、波形4是PFO引腳的電壓波形。圖中測試時輸出以10mA的負(fù)載對其恒流放電。

圖6 測試波形圖

當(dāng)輸入12V上升時，DCDC電源會緊接著開始輸出5V，同時隨之12V的上升其分壓值若大于PFI的輸入閾值時PFO會跟著立即輸出高電平，復(fù)位引腳在檢測到5V電壓正常一段時間后也會時復(fù)位系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動工作。

當(dāng)輸入12V意外斷電下降時其在PFI引腳上的分壓值低于閾值時PFO會立即輸出低電平，此PFO的低電平會中斷系統(tǒng)主控告知系統(tǒng)意外斷電應(yīng)立即對存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，防止數(shù)據(jù)丟失。圖中的測試波形是以10mA的恒流負(fù)載模擬測試效果，從圖中可以看出從檢測到意外斷電到系統(tǒng)復(fù)位停止工作中間有244ms的處理時間。這個時間和DCDC輸出端的電容有很大的關(guān)系，電容值越大其數(shù)據(jù)處理的時間越長，圖中是以2200μF的電容值大小、負(fù)載10mA恒流情況下測得是時間。實(shí)際處理時檢測到掉電主控應(yīng)立即斷掉液晶屏等不需要的耗電外設(shè)只保持主控部分的供電即可。