Супервизор питания что это
Перейти к содержимому

Супервизор питания что это

  • автор:

Супервизоры питания

Супервизоры питания — интегральные микросхемы, которые изменяют состояние своего выходного цифрового сигнала, если уровень напряжения питания снизился ниже определенной пороговой величины напряжения. Доминирующей сферой использования таких устройств являются микропроцессорные системы, особенно если в них используются энергонезависимые запоминающие устройства. Применение супервизоров питания в таких системах позволяет устранить следующие проблемы:

  • несанкционированное поведение микропроцессора/микроконтроллера при подаче питания и снятии питания, т.е. когда существуют интервалы времени, когда напряжение питания находится на недостаточном уровне для корректной дешифрации и исполнения кода команды;
  • как следствие из первого пункта, инициация самопроизвольной записи в энергонезависимую память за счет сбоя в выполнении программы;
  • инициация процесса записи в энергонезависимую память, когда напряжение питания заведомо находилось на уровне недостаточного для корректного завершения процесса записи.

Кроме того, супервизоры питания могут использоваться как автономное устройство в составе цифровой или микропроцессорной системы в качестве, например, порогового элемента, релейного регулятора и пр.

Компания Rohm выпускает несколько серий супервизоров питания, состав которых иллюстрирует рисунок 1.

Рисунок 1. Классификация супервизоров питания компании Rohm

Все супервизоры питания разделяются на два типа: биполярный и КМОП. Следует подчеркнуть, что наименование первого типа означает не двуполярность, а выполнение интегральной схемы на основе биполярной технологии, т.е. на основе биполярных транзисторов. Соответственно, КМОП-тип означает выполнение супервизора по КМОП-технологии и, как следствие, подчеркивает пониженное по сравнению с биполярным типом собственное энергопотребление.

Следующей различающей чертой супервизоров питания является схемотехника выхода: открытый сток/коллектор и двухтактный КМОП-выход (см. рисунок 2). Использование супервизоров питания с открытым стоком/коллектором оправдано в том случае, если управляемая линия организована по принципу монтажного И, лог. 1 в которой формируется за счет внешнего подтягивающего к плюсу питания резистора. Такой резистор, как правило, содержат большинство входов сброса современных микроконтроллеров. Если же управляемая линия является высокоимпедансной, то необходимо использовать супервизор с КМОП-выходом, представляющего собой двухтактный ключ и обеспечивающий формирование как лог. 0, так и лог.1.

Рисунок 2. Схемотехника выходного каскада супервизоров питания

Супервизоры также отличаются схемами обработки исполнительного сигнала (см. табл.1). Самые простые супервизоры (серия BD47) не содержат никакой обработки и выход компаратора у них управляет непосредственно выходным ключевым транзистором. Их недостатком является неустойчивость поведения на пороге срабатывания. Для устранения этого недостатка в остальных сериях введен триггер Шмита, обладающего гистерезисной характеристикой. В тех случаях, где допускается кратковременное снижение уровня питания, необходима временная задержка исполнительного сигнала, иначе это приведет, например, к нежелательному сбросу микроконтроллера. Компания Rohm выпускает несколько серий супервизоров с функцией задержки исполнительного сигнала. При этом используются два принципа формирования временной задержки. Первый основан на заряде внешнего конденсатора С через внутренний резистор с фиксированным номиналом. Особенностью данного способа является возможность получения желаемой временной задержки путем подбора номинала внешнего конденсатора. В другом случае используется встроенный генератор, который тактирует цифровой счетчик. Выход компаратора в этом случае является сигналом разрешения счета. Данные супервизоры отличаются фиксированными значениями временных задержек (50, 100 и 200 мс) и, как следствие, минимальным числом внешних компонентов.

Таблица 1. Методы обработки исполнительного сигнала

Микросхемы супервизоров питания компании on Semiconductor Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Ромадина Ирина

Самые простые интегральные формирователи сигналов сброса появились в начале 90‑х годов как альтернатива традиционной схеме на RC-цепочке. Современные электронные компоненты типа микроконтроллеров или процессоров имеют встроенные модули мониторинга питания, сторожевые таймеры и прочие средства против зависания и неправильного функционирования при сбоях по питанию. Тем не менее, для обеспечения высокой надежности в аппаратуре для ответственных приложений используются отдельные супервизоры питания. По данной причине эти простые устройства до сих пор востребованы на современном рынке электронной аппаратуры.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Ромадина Ирина

Микросхемы производства imp для систем электропитания портативной аппаратуры
Альянс с Alliance Semiconductor: от памяти до подавления помех
Микросхемы памяти компании STMicroelectronics
Микросхемы памяти компании STMicroelectronics
Супервизоры и детекторы напряжения Microchip Technology
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Микросхемы супервизоров питания компании on Semiconductor»

Микросхемы супервизоров питания

компании ON Semiconductor

Самые простые интегральные формирователи сигналов сброса появились в начале 90-х годов как альтернатива традиционной схеме на 1РС-цепочке. Современные электронные компоненты типа микроконтроллеров или процессоров имеют встроенные модули мониторинга питания, сторожевые таймеры и прочие средства против зависания и неправильного функционирования при сбоях по питанию. Тем не менее, для обеспечения высокой надежности в аппаратуре для ответственных приложений используются отдельные супервизоры питания. По данной причине эти простые устройства до сих пор востребованы на современном рынке электронной аппаратуры.

Супервизоры питания — интегральные микросхемы, которые изменяют состояние своего выходного цифрового сигнала, если уровень напряжения питания оказывается ниже определенной пороговой величины напряжения. Супервизоры предназначены для работы в микропроцессорных системах и формируют сигнал RESET при падении напряжения ниже допустимого уровня. Современная схема микропроцессорного супервизора (диспетчера) является дешевым и эффективным средством для контроля и автоматического поддержания работы операционной системы без сбоев. Эти приборы потребляют малую мощность, имеют низкую цену при широком диапазоне встроенных функций и размещаются в небольших корпусах. Интегрированная структура микросхемы объединяет источник опорного напряжения и компаратор с температурно-компенсированным порогом и гистерезисом. Корректная работа формирователя сброса гарантирована при минимальном уровне входного напряжения 1 В.

Микросхемы супервизоров питания выпускают в настоящее время десятки компаний, среди которых Maxim, ON Semiconductor, NXP, Microchip, ROHM, STMicroelectronics, Analog Devices, Holtek и др.

Первая микросхема супервизора MAX809 в корпусе SOT23 была разработана компанией Maxim и стала стандартом для всех остальных производителей. В настоящее время MAX809 и ее аналоги выпускаются с несколькими пороговыми напряжениями, задаваемыми при производстве. Производитель гарантирует точность ±2,6% при работе в диапазоне температур -40.. .+85 °C и минимальный период сброса 140 мс.

За время производства микросхемы были существенно оптимизированы ее функциональные качества; уменьшились энергопотре-

бление, размеры корпуса и цена; расширились возможности для специфических приложений и диапазон рабочих температур. Супервизоры питания применяются в секторе промышленной автоматики и в автомобильной электронике, где сбой по питанию может привести к выходу из строя силовых приводов и механическим разрушениям системы.

В настоящее время выпускаются интегральные устройства, в которых функция супервизора питания дополнена входом ручного сброса, сторожевым таймером, индикацией пониженного питания, встроенным ЕЕПРОМ, маломощным LDO и возможно формирование нескольких сигналов при различных сбоях по питанию.

Микросхемы супервизоров питания ON Semiconductor

Компания ON Semiconductor выпускает широкую номенклатуру микросхем супервизоров питания. Многие супервизоры этой фирмы являются полными аналогами приборов Maxim/Dallas. Широкая линейка микросхем супервизоров разработана компанией Catalyst Semiconductor (Санта-Клара, шт.

Калифорния), которая с 2008 г. является подразделением ON Semiconductor и занимается разработкой и производством аналоговых продуктов, микросхем энергонезависимой памяти, цифровых программируемых потенциометров (DPP), LDO-стабилизаторов, LED-драйверов. Продукты Catalyst применяются в телекоммуникационном, компьютерном, автомобильном и индустриальном оборудовании.

Эта микросхема, разработанная компанией Maxim в начале 90-х, на долгие годы стала эталоном для подражания для других производителей. ON Semiconductor выпускает эту серию супервизоров c маркировкой Maxim. Следует отметить, что их выпускает также и NXP. Однако ток потребления у них больше, чем у аналогичных ON Semi — 17 мкА. Есть защита от кратковременных провалов по питанию.

Супервизоры (рис. 1) производства компании Maxim потребляют 17-100 мкА в зависимости от температуры и напряжения питания. Они выпускаются в корпусах типовой SOT-23 или SC-70 (SOT-323) меньшего размера.

Формирователь сигнала сброса (рис. 2) состоит из термокомпенсированного источни-

Супервизоры питания и их применение

В статье описаны микросхемы для микропроцессорных устройств — супервизоры (детекторы) напряжений, которые служат для четкого и точного определения момента снижения питающих напряжений до заданного уровня. Показано, что будучи простыми трехвыводными устройствами, эти микросхемы имеют довольно большие функциональные возможности, которые позволяют применять их и в других интересных и полезных устройствах — источниках электропитания, зарядных устройствах для аккумуляторов, импульсных устройствах и т. д. Описаны результаты исследования микросхем супервизоров и даны рекомендации по их применению.

МИКРОСХЕМА МС34064
Роль точного контроля напряжений питания непрерывно возрастает. Массовое применение устройств с батарейным (в частности аккумуляторным) питанием сделало непрерывный контроль напряжения питания обязательным для многих устройств» например, калькуляторов, карманных компьютеров, МРЗ-плееров, электронных часов и т. д. Разрядка аккумуляторов ниже определенного уровня губительно сказывается на сроке их работы, также как и перезарядка. Кроме того, многие электронные приборы, даже при сетевом питании, чувствительны к изменению напряжения источника. В первую очередь это относится к таким устройствам, как микропроцессоры, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, модули памяти и т. д.

Известно огромное число устройств контроля напряжения питания — от банального стрелочного вольтметра до сложных интеллектуальных блоков зарядки аккумуляторов. Нередко точность контроля и температурная стабильность порогов у многих таких устройств оказывалась явно низкой, а их повышение вело к неоправданному усложнению узлов контроля и увеличению потребляемой ими мощности. Учитывая эту ситуацию» ряд крупных фирм микроэлектронной промышленности приступил к серийному производству специальных микросхем супервизоров напряжения.

Одной из наиболее распространенных микросхем супервизоров напряжения является МС34064/33064, разработанная фирмой Motorola [1). Она выпускается также фирмами LinFinity Microelectronics, On Semiconductor и др. Микросхема (рис. 1) содержит высокоточный температурно-ком-пенсированный источник опорного напряжения, делитель напряжения R1R2, прецизионный гистерезисный компаратор ГИК с нагрузочным резистором R3 и выходной ключевой транзистор VT с диодом VD.
В микросхеме 21 транзистор и она выпускается во всех наиболее распространенных корпусах для транзисторов и микросхем малой степени интеграции, например в транзисторном корпусе Т0226АА и в корпусах вось-мивыводных микросхем 751 (SO-8) и 846А (Micro-8).

Основной задачей при разработке новых микросхем было их предельно простое применение по основному назначению (контроль за падением напряжения ниже заданного уровня) и наличие только трех выводов. Это несколько сужает возможные области применения таких массовых микросхем и требует внимательного изучения всех особенностей их работы, что и составляет цель данной статьи.
Прежде всего рассмотрим функциональную схему супервизора (рис. 1, а) более подробно. Ясно, что порог срабатывания задается напряжением опорного источника Uref = 1,2 В и делителем напряжения R1R2. В технической документации задаются пороги срабатывания и гистерезис, они приведены в табл. 1.

Параметр Мин. Тип. Макс.
Верхний порог, В 4,5 4,61 4,7
Нижний порог. В 4,5 4,59 4,7
Гистерезис, В 0,01 0,02 0,05

Гистерезис необходим для исключения срабатывания компаратора от случайных быстрых изменений напряжения питания и шумов. Из-за существенной нелинейности входящих в супервизор элементов корректная работа устройства обеспечивается вблизи области срабатывания и далеко за ее пределами — примерно 1. 9 В, хотя допустимый диапазон входных напряжений шире — 1. 10В. Максимальная рассеиваемая мощность 520.. .650 мВт в зависимости от корпуса. Максимальный втекающий в выход ток — 100 мА, диапазон рабочих температур 0. +70°С для микросхем обычного применения и -40. +85 °С для микросхем в промышленном исполнении.

Статические характеристики
В руководстве по микросхеме МС34064/33064 [1] приведено детальное описание статических характеристик микросхем. Рассмотрим основные их них. Главной является передаточная характеристика, показанная на рис. 2.

Она описывает зависимость выходного напряжения от входного. Нетрудно заметить, что эта характеристика куда сложнее, чем это можно было бы предположить из идеализированного описания микросхемы. Лишь в средней части (в области входных напряжений примерно 1. 9В она соответствует описанию типовой роли прибора.

В области малых напряжений (менее 0,5 В), когда источник опорного напряжения перестает работать, передаточная характеристика имеет характерный выброс с линейным участком, на котором выходное напряжение равно входному, но уже при напряжении 0,5 В выходное напряжение падает практически до нуля и остается таким до увеличения входного напряжения до основного порога около 4,6 В. Далее, вплоть до напряжения чуть больше 9 В, выходное напряжение после скачка снова становится практически равным входному. А при входном напряжении более 9,2 В выходное напряжение скачком уменьшается практически до нуля. Причина подобного поведения не поясняется, но это означает, что микросхема может использоваться для двухпорогового контроля. Неясно и то, является ли точное значение 2 для отношения напряжений порогов преднамеренным или случайным обстоятельством.

Исследования показывают, что в малой области главного порога (напряжение около 4,6 В) передаточная характеристика имеет гистерезис, как показано на рис. 3.

При снятии характеристик в статическом режиме ширина петли гистерезиса составляет 20 мВ. Наличие гистерезиса исключает дребезг при переключении, как при нарастании, так и уменьшении контролируемого напряжения, а малая величина гистерезиса делает двойственность порога (при увеличении и уменьшении напряжения) практически незаметной.

Высокая стабильность порога — отличительное качество микросхем данной серии. На рис. 4 представлены температурные изменения верхнего и нижнего порогов в диапазоне температуры окружающей среды ТА = -40.. .+85 °С, разность порогов уменьшается при понижении температуры.

Интересный вид имеют зависимости входного тока от входного напряжения, представленные на рис. 5 для трех значений температуры окружающей среды, в целом они носят почти линейный характер с небольшим отклонением от линейности в области малых значений, однако в области порогов (4,6 и 9,2 В) эти зависимости имеют характерные падающие и нестабильные участки, обусловленные регенеративным переключением устройства. В определенных условиях это может порождать паразитные или полезные релаксационные колебания с частотой 1 МГц и выше.

Когда транзистор VT микросхемы открыт, выходное напряжение определяется начальным участком воль-тамперной характеристики насыщенного транзистора. На рис. 6 показана зависимость выходного напряжения от втекающего выходного тока для разных значений температуры окружающей среды ТА.

Максимальное значение выходного тока (до выхода из насыщения) при нормальных условиях составляет около 25 мА> что достаточно для яркого свечения светодиодного индикатора или включения маломощного реле.

Для оценки свойств микросхем полезно также знать вольтамперную характеристику диода VD, она показана на рис. 7. Из нее видно» что диод выдерживает ток до 70 мА при прямом падении напряжения на нем 1,6 В.

Статические характеристики супервизоров питания неплохо описывают их применение при медленно изменяющихся входных напряжениях, что характерно для многих стандартных применений таких микросхем. Из них следует, что по основному назначению их можно использовать при высокостабильном пороге около 4,6 В. Использование второго порога 9,2 В в технической документации не оговаривается, но, как показала практика, вполне возможно (максимальное напряжение питания с запасом взято равным 10 В).

ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ СУПЕРВИЗОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ
Узлы порогового контроля со светодиодными индикаторами являются самыми простыми. Устройство (рис. 8, а), приведенное в описании микросхемы, обеспечивает свечение светодиода при падении напряжения источника питания ниже основного порога 4,6 В.
При увеличении питающего напряжения свыше 9,2 В свечения прекращается. Если узел выполнен так, как показано на рис. 13, б, обеспечивается четкая индикация превышения напряжением питания значения 4,6 В, а также и контроль за спадом напряжения ниже 9,2 В. Порог можно увеличивать, включая вход через диод или подключая его к источнику питания через низкоомный (единицы кОм) делитель. К сожалению, способов понизить напряжение порога у данных микросхем нет.

Будучи высокочувствительными регенеративными устройствами состабильным порогом срабатывания, супервизоры могут применяться в огромном количестве пороговых схем, например, в качестве триггеров Шмитта, устройств контроля сигналов с фоторезисторов, фотодиодов и фототранзисторов, пороговых устройств контроля температуры с резисторны-ми и диодными датчиками температуры и т. д. Принципы построения таких устройств вполне очевидны.

На рис 9 показан основной способ включения микросхемы супервизора питающего напряжения для создания сигнала сброса микропроцессорного устройства.
Резистор RH позволяет изменять петлю гистерезиса (ранее приводились данные для RH = 0), что дает возможность в широких пределах менять условия сброса микропроцессора. Обычно гистерезис позволяет создавать зону нечувствительности, предотвращающую сброс микропроцессорных устройств при небольших случайных скачках напряжения питания.

Супервизоры напряжения питания могут использоваться в зарядных устройствах для контроля уровня зарядки аккумуляторных батарей. Примером может служить схема устройства, показанная на рис. 10.

Устройство служит для контроля зарядки аккумуляторной батареи GB1 от солнечной батареи BL1. Пока уровень напряжения GB1 ниже основного порога, напряжение на выходе микросхемы супервизора равно нулю и внешний транзистор закрыт. Ток от солнечной батареи через диод заряжает GB1. Но если напряжение на GB1 начинает превышать заданный порог, сигнал на выходе супервизора увеличивается и внешний транзистор открывается, замыкая на себя ток элементов солнечной батареи. Перезарядка GB1 предотвращается и можно эксплуатировать аккумуляторную батарею без присмотра.

ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА НА МИКРОСХЕМАХ СУПЕРВИЗОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ
Супервизоры также могут применяться при построении разнообразных импульсных устройств. Ниже описаны некоторые из них, рекомендуемые производителями микросхем импульсных устройств.

Типичным применением супервизора является возбудитель мощного полевого транзистора. Мощные полевые транзисторы крайне нежелательно запускать импульсами с пологими участками нарастания и спада, например треугольными [2]. В этом случае транзисторы длительное время находятся в состоянии, когда одновременно ток стока и напряжение на стоке велики, что ведет к резкому увеличению мгновенной рассеиваемой мощности, перегреву транзисторов и снижению к. п. д. ключевых устройств. На рис. 11 показана схема узла запуска, исключающего из входного напряжения область, где возможна перегрузка мощного полевого транзистора по мгновенной мощности рассеивания. Варианты умощнения вы-хода микросхемы рассмотрены в [3].

Малая инерционность срабатывания микросхемы супервизора не всегда является достоинством. Даже при создании сигнала сброса микропроцессора (применения микросхемы по прямому назначению) желательно создать задержку сигнала сброса, чтобы сброс не происходил при очень коротких перепадах напряжения питания. Для этого следует использовать дополнительный конденсатор CDLY который создает экспоненциальное нарастание сигнала сброса. Время задержки вычисляется выражением, приведенным в правом нижнем углу типовой схемы сброса микропроцессора (рис. 12).

Микросхема супервизора напряжения может использоваться для формирования из входного сигнала задержанного перепада напряжения или задержанного прямоугольного импульса. Схема формирователя показана на рис. 13, его основой является интегрирующая КС-цепь на входе, которая формирует экспоненциальные фронты и спады на входе микросхемы.

Если предельное напряжение экспоненциального перепада на входе меньше второго порога составляет 9,2 В, выходной перепад формируется с задержкой в момент, когда экспоненциально растущее напряжение достигает уровня основного порога 4,6 В. Осциллограммы входного и выходного напряжения узла (рис. 13) для такого случая показаны на рис 14. Однако если предельное напряжение экспоненциального перепада на входе микросхемы супервизора превышает второй порог 9,2 В, будет формироваться уже не выходной перепад, а выходной прямоугольный импульс. Это связано с тем, при достижении экспоненциальным напряжением значения второго порога транзистор микросхемы снова открывается и напряжение на выходе становится близким к нулю. Осциллограммы входного и выходного напряжения для последнего случая показаны на рис. 15.

Длительность задержки выходного перепада составляет:

где UH — напряжение основного порога 4.6 В. Эта же формула при UH = 9,2 В определяет задержку второго (отрицательного) перепада выходного напряжения» а разность задержек — длительность выходного прямоугольного импульса.

Используя микросхему супервизора, можно построить и импульсный генератор (мультивибратор). Простейший вариант на основе использования второго порога работает не очень стабильно и дает жесткое самовозбуждение. Для того, чтобы срабатывал основной порог, узел приходится дополнять транзисторным инвертором, как показано на рис 16. Он обеспечивает зарядку и разрядку конденсатора С через резистор R. При достижении верхнего входного напряжения петли гистерезиса транзистор включается и конденсатор разряжается до нижнего порога. Затем транзистор выключается, и конденсатор начинает заряжаться до верхнего входного напряжения петли гистерезиса и т. д.

Осциллограммы напряжения на конденсаторе С и коллекторе внешнего транзистора показаны на рис. 17.

Поскольку разность порогов мала, напряжение на конденсаторе имеет участки почти линейного нарастания и спада. Импульсы напряжения на коллекторе внешнего транзистора близки к прямоугольным (рис 17). Из-за малой разности порогов и малой допустимой неличины R частота колебаний генератора довольно велика и составляет около 300 кГц при R = 7,5 кОм.

Еще один вариант применения супервизора напряжения показан на рис 18. Это маломощный импульсный стабилизатор (преобразователь) напряжения 11,5. 14,5 В в стабильное постоянное напряжение 5 В при токе 50 мА с максимальным изменением 35 мВ. При напряжении питания 12,6 В и изменении тока нагрузки 0.. .50 мА нестабильность выходного напряжения не превышает 12 мВ. Пульсации напряжения на выходе не более 60 мВ (полный размах), а КПД — 77 %. Любопытно отметить, что это довольно высокое значение коэффициента полезного действия, поскольку в маломощных стабилизаторах получить его намного труднее, чем в мощных, из-за значительной мощности, расходуемой на питание вспомогательных устройств.

Работа устройства основана на импульсном управлении биполярным транзистором МР5\У51А,включенным по схеме ключевого понижающего стабилизатора релаксационного типа. Импульсы с коллектора транзистора фильтруются LC-фильтром, и его выходное напряжение используется как входное для микросхемы супервизора. Делитель на его входе повышает порог до уровня 5 В, которое с учетом пульсаций определяет выходное напряжение преобразователя.

За рубежом супервизоры питания выпускаются почти всеми полупроводниковыми
фирмами, например [4, 5]. Относительно давно существует отечественная серия микросхем К1171СП2хх [6], начат выпуск серии микросхем К1274хх [7], функциональная схема показана на рис 19. Источник опорного напряжения изображен в виде стабилитрона.
Обозначение «хх» указывает на типовое напряжение порога срабатывания— 29 при пороге 2,83. 2,97 В, 33 при 3,23. 3,37 В и т. д. до 45 при 4,43. 4,57 В. Выпуск ряда модификаций микросхем с разными порогами упрощает их выбор. Максимальное допустимое рабочее напряжение увеличено до 15 В. В остальном микросхемы аналогичны описанным МС34064, в том числе и по принципам схемного применения.

ЛИТЕРАТУРА:
1. МС34064, МС33064. Undervoltage Sensing Circuit. Motorola, 1пс.У 1996.
2. В. П. Дьяконов, А. А. Максимчук, А. М. Ремнев, В. Ю. Смердов. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. Под общей редакцией проф. В. П. Дьяконова. — М: СОЛОН-Р, 2002.
3. С. Алексеев. Триггеры Шмита без источника питания. — Схемотехника, 2002, Л«? 12, с. 24.
4. KIA7019AP/AF/AT- KIA7045AP/ AF/AT. Bipolar Linear Integrated Circuit KEC, 2002.
5. M. Потапчук. Супервизоры серии MCPIOx фирмы Microchip. — Схемотехника, 2006, № 1, с. 10, 11.
6. Микросхемы для линейных источников питания и их применение. —М; Додэка, 1998.
7. А. Нефедов. Новые микросхемы для источников питания. — М.: Ремонт и сервис, 2006, .№? 5, с. 61, 62.

Владимир Дьяконов, г. Смоленск

Супервизоры — диспетчеры микропроцессоров

При проектировании микропроцессорных систем возникает масса проблем с подачей питания. Неправильная последовательность включения/выключения на определенных выводах, очень быстрый подъем или снижение напряжения, слишком медленная стабилизация и так далее, требуют решения для нормального функционирования системы. Импульсные помехи от внешних компонентов вызывают выход из допуска питающего напряжения и системные батареи начинают «проваливаться». Проектировщики системы стараются минимизировать вредные факторы в пределах возможностей стоимости, габаритов, веса, но всегда есть потребность в благополучной работе изделия особенно тогда, когда качество питания не отвечает требованиям стандарта. Необходимо, чтобы был правильный запуск микропроцессорной системы, чтобы выход за допуск питания фиксировался и по сигналам сбоя питания можно было бы предпринимать действия, направленные на минимизацию сбоя всей системы.

Современная схема микропроцессорного супервизора (диспетчера) является дешевым и эффективным методом для контроля и автоматического поддержания работы операционной системы без сбоев. Эти приборы потребляют малую мощность, имеют низкую цену при широком диапазоне встроенных функций и размещаются в небольших корпусах.

Сброс при включении питания

Первая и всегда используемая защита микропроцессорной системы — это системный сброс при включении питания. Практически все процессоры, входящие в состав компьютера или процессорной системы включают средства для «холодного» старта изделия, когда включается питание. В течение определенного интервала (типовое время 200 мс) пока стабилизируется местный блок питания, устройство не должно работать. Если время сброса слишком мало, то нет гарантии правильной работы микропроцессора (да и, вообще, триггерных схем). В течение интервала времени сброса стабилизируется частота синхронизации, а внутренние регистры имеют время, чтобы загрузиться должным образом. Часто для удержания сигнала сброса на входе микропроцессора при подаче питания используют недорогой, но опасный метод с применением RC — задержки. На конденсаторе по показательной функции возрастает напряжение от «0» до Uпит, проходя через значение Vвх, когда оно соответствует пороговому напряжению, при котором микропроцессор может нормально функционировать.

Однако этот метод имеет следующие недостатки. Во первых, если напряжение питания повышается медленно во время периода сброса процессора, то напряжение на вводе сброса может достигать «правильного» уровня Vвх (0,7 Uпит. для большинства процессоров), составляющего (для Uпит 3,3В) 2,31В раньше, чем минимальное рабочее напряжение при допуске 10%, т.е. Uпит 2,97В. Это означает, что сигнал установки дает возможность работать микропроцессору, а его питающее напряжение на 20 % и более не достигло своего рабочего наминала Uпит.

Второй недостаток RC — схемы обнуления, заключается в том, что для цифровых схем (и для микропроцессоров) характерна высокая скорость нарастания (спада) входного сигнала. Используемый низкочастотный фильтр для получения задержки в 200 мс имеет низкую скорость нарастания напряжения V/µs, что может привести к нестабильной работе микропроцессора и-за перевозбуждения на цифровом входе. Если между RC — фильтром и входом микропроцессора поставить триггер Шмитта, то кроме дополнительной стоимости и усложнения схемы это приносит дополнительные неприятности самого триггера при включении питания.

Кратковременный провал напряжения питания и обнаружение сбоя

Еще одно требование сброса микропроцессора возникает в случае провала напряжения питания. Если для обнуления используется RC-фильтр, то он может не среагировать на кратковременный провал. В этом случае возможен сбой в регистровых схемах, выполнение неправильной команды и тому подобное. Для ускорения реакции RC-фильтра на отрицательный спад питающего напряжения следует подключить диод между питанием (катод) и конденсатором (анод). Однако, при низком напряжении питания (3,3 В), для того, чтобы фильтр сработал на спад напряжения, необходимо прямое включение диода. Питание должно снизиться на 20% от Uном. Это может отрицательно сказаться на работе микропроцессора, если допуск по питанию у него не должен превышать ±10%.

Интегральный генератор сброса

Проблемы, связанные со схемами задержки на RC фильтрах, легко решаются генераторами сброса таких микросхем, как DS1810/11/12/16/17, DS1833 и т.д. Типовое устройство сброса (рис. 1) состоит из термокомпенсированного источника опорного напряжения, резистивного делителя входного напряжения, компаратора, схемы фиксированного времени задержки и драйвера. При изготовлении микросхемы резистивная цепь может быть скорректирована на различные допуски питающего напряжения (5%, 10%, 15%, 20%), позволяя пользователю выбрать определенный порог сброса для каждого случая работы микропроцессора. Настройки генератора сброса — самостоятельные величины и не отслеживают высокий или низкий уровень логического сигнала на входе обнуляемой микросхемы.

Рис. 1. Генератор сброса с двухтактным выходом

Для вырабатывания сигнала сброса при включении питания внутренний компаратор включает схему задержки. Ее длительность для каждого прибора оговаривается в техдокументации. Компаратор также определяет спад напряжения. При прохождении установленного порога, генератор сброса производит активное управление остановкой и переинициализацией всех действий процессора. Временная диаграмма формирования сигнала «сброс» при включении и при спаде питания показаны на рис. 2. Все параметры, указанные на диаграмме можно найти в техдокументации соответствующего прибора.

Рис. 2. Временная диаграмма формирования сигнала RST

Сброс микропроцессора может быть активизирован в любое время: большой сбой или кратковременный провал питания, включение питания или завершение работы системы.

Более широкие возможности открываются у генератора сброса, если он может работать с кнопкой для ручного обнуления. Это полезное добавление дает возможность пользователю вызвать сброс микропроцессора даже тогда, когда питающее напряжение остается в пределах допуска. Если процессор блокируется по какой-то неизвестной причине, ручной сброс позволяет вам делать новый запуск не выключая системное питание.

Ручной сброс может быть осуществлен как независимый ввод к супервизору (в более сложных схемах, например DS1814/1819) или подключается к выходу в более простых приборах, как, например, DS1813/18. Здесь кнопка обнуления подключается параллельно выходному транзистору с резистивной нагрузкой (5,5 кОм). Внутри схемы имеется следящее устройство, которое при снижении уровня на выходе до Uil (0,4B max) даже на время 1 µсек, удерживает это состояние на время задержки данного прибора. Схема подключения кнопки к монитору DS1813 представлена на рис. 3. Временная диаграмма сброса от кнопки показана на рис. 4.

Рис. 3. Супервизор с кнопкой сброса

Рис. 4. Временная диаграмма сброса от кнопки

Сбой питания и индикаторы истощения батареи

Очень часто микропроцессорная система не должна терять данные даже если полностью пропадает питание. При жестком сбросе, который следует из потери напряжения питания, процессор формирует сброс любой информации, содержащейся во внутренних регистрах. Система может минимизировать эту потенциальную потерю, сохраняя непрерывно данные в энергонезависимой памяти. Однако такой подход снижает эффективность процессора и надежность записи в память flash или СППЗУ.

Существенно лучшие результаты можно получить при применении супервизоров с многоканальным измерением напряжений.

Например, MAX6342…MAX6345 или DS1830, DS1834 и др., могут делать одновременно замеры двух и более напряжений. Если, например, рабочее напряжение 5 вольт, то вспомогательное должно быть на ≥ 1 вольт ниже. Если основное напряжение начинает снижаться, то супервизор сигнализирует об этом микропроцессору и информация может сохраниться в энергонезависимом запоминающем устройстве прежде, чем произойдет системный сброс (см. рис. 5). Здесь питание системы производится от регулятора первичного напряжения или батареи. Напряжение питания процессора проверяется по стандарту включено/выключено. При этом, низковольтный индикатор также контролирует первичное напряжение. Порог для индикатора установлен выше выходного напряжения регулятора. Выход этого индикатора управляет немаскируемым прерыванием (NMI). Этот NMI указывает процессору о начале процедуры сохранения данных в энергонезависимой памяти. При правильной установке индикатора обеспечивается достаточное время для сохранения всех данных прежде, чем регулируемое напряжение питания снизится ниже минимального рабочего напряжения, указанного в спецификации на процессор.

Рис. 5. Применение супервизора с многоканальным измерением напряжения

Аварийное батарейное питание и схема подключения

Если большой объем данных необходимо переместить в энергонезависимую память, а для этого не достаточно времени, то альтернативой является дополнительное батарейное питание. Осуществить такую функцию могут приборы DS1236, DS1238, DS1836, MAX6361, MAX6363, MAX6364 и др. Возможная схема подключения указанных приборов представлена на рис. 6. Если напряжение питания Vcc находится в пределах допуска для микропроцессорной системы, то супервизор подключает сетевое питание. Если Vcc снижается ниже допустимого порога, установленного в супервизоре, то на микропроцессор выдается команда «сброс» и таким образом прекращается запись в оперативную память. Дальнейшее снижение сетевого питания вызывает подключение супервизором батарейного питания к оперативной памяти для хранения записанной информации. В режиме ожидания память ОЗУ потребляет небольшой ток, что позволяет хранить данные очень долго, пока системное питание Vcc не вернется к надлежащему операционному уровню. При необходимости, батарейное питание может поддержать работу часов реального времени и некоторые функции процессора.

Рис. 6. Подключение батареи при аварийном питании

Даже наилучшим образом разработанные системы могут иметь сбой не только от колебаний напряжения источника питания. Неправильная синхронизация, некачественная программа, слабые сигналы ответа периферийных устройств — всё это может привести процессор из нормального действующего кода в тупиковый цикл. Никто не знает, когда процессор выходит из ожидаемого маршрута команды и его необходимо перезапустить. Для решения указанной проблемы выпускается группа интегральных супервизоров типа MAX823, MAX6316, MAX6318, DS1814/19, DS1832 и др., которые имеют внутренний сторожевой таймер. Эти схемы требуют чтобы процессор непрерывно корректировал входную логику сторожевого таймера в пределах указанного минимального периода времени. Иначе, супервизор выпускает системное предупреждение (см. рис. 7).

Рис. 7. Схема включения супервизора с внутренним сторожевым таймером

Промышленный стандарт периода времени ожидания для сторожевого таймера составляет 1,6 сек., но поставщики супервизоров предлагают выбор от 1 µs до 1 минуты. Поскольку коррекция сторожевого таймера потребляет ресурсы процессора, необходимо определить период времени, когда система может работать неправильно прежде чем может быть введён сброс.

Выход сторожевого таймера может время от времени подключаться к немаскируемому входу процессора, что позволяет супервизору сделать попытку возврата процессора, на нормальную операцию без потери энергозависимых данных памяти.

Надо отметить такой фактор, как наличие сторожевого таймера в составе процессора. Они работают по программе и могут выполнять вышеописанные функции. Но нужно помнить, что питание в этом случае — единое и все неприятности от сбоя питания также воздействуют на внутренний сторожевой таймер. Таким образом, для получения наиболее устойчивых систем необходима независимая сторожевая схема, которая гарантирует надлежащую работу при сбоях в программе.

В заключении данного обзора супервизоров — диспетчеров для микропроцессоров необходимо отметить следующее.

Простые, малых резмеров микросхемы супервизоров могут иметь самое широкое применение не только в чисто микропроцессорных системах, а во всех электронных блоках, где есть потребность в использовании этих приборов.

Применение супервизоров не ограничено представленными выше примерами, т.к. выпускаемые компанией Maxim — Dallas Semiconductor приборы отличаются большим разнообразием и назначением для применения. Это можно увидеть по дереву супервизоров, представленному ниже.

Микропроцессорные «диспетчеры» и контроллеры NV RAM

  1. Микропроцессорные диспетчеры:
    • небольшие SC-70 и SOT-упаковки (корпуса);
    • простая установка (нет батарейного выключателя или сторожевой схемы);
      – с компаратором пропадания питания;
      – с ручным сбросом (кнопка);
    • со сторожевой схемой (схемой безопасности);
      – с компаратором пропадания питания;
      – с ручным управлением установки (кнопка);
    • с выключателем резервной батареи;
      – с вентилем разрешения работы м. с.;
      – с компаратором пропадания питания;
      – с ручным сбросом (кнопка);
    • со сторожевой схемой и выключателем резервной батареи;
      – с вентилем разрешения работы микросхемы;
      – с компаратором пропадания питания;
      – с ручным сбросом (кнопка);
    • диспетчеры (супервизоры) регулируемые пользователем;
      – регулируемый порог сброса;
      – регулируемое время сброса;
      – регулируемый период сторожевой схемы;
    • все типы с компаратором пропадания питания;
    • все типы с ручным вводом сброса;
    • многоканальные сбросы.
  2. диспетчеры энергонезависимого ОЗУ:
    • «интеллектуальная розетка» с внутренней батареей;
    • монитор с литиевой батареей;
    • с блокировкой секторов.
  3. переключатель с противодребезговой защитой (разрядник).
  4. детекторы напряжения:
    • одноканальный;
    • двухканальный;
    • четырехканальный;
    • пятиканальный.
  5. регулятор + схема обнуления.

Технические данные на приборы можно посмотреть на сайте www.dalsemi.com или www.maxim-ic.com, а также на www.rtcs.ru.

Приборы, выпускаемые в различных корпусах, в том числе и миниатюрных SOT-23 или SC-70, имеют собственную низкую цену, но могут сэкономить большие деньги для изготовителя и потребителей микропроцессорных систем. Используйте эту возможность.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *