上电复位电路的使用策略

摘要：工程师们在调试各式各样的板子时，常会出现开机出现错误，系统无法正常打开，接下来我们将列举电路板上电时可能引发的一些常见系统问题，并说明了保证电路板正确初始化的基本原则。
  


许多IC 都包含POR电路

(上电复位，即Power-on Reset)
(上电复位，即Power-on Reset)
(上电复位，即Power-on Reset)!重要的事情说三遍!

其作用是保证板子上电后，模拟和数字模块初始化至已知状态。

POR三步走：电源电压达到阈值电压——POR电路就会释放内部复位信号——状态机开始初始化器件。

在初始化完成之前，器件忽略外部信号，包括传输的数据。唯一例外是复位引脚，它会利用POR信号内部选通。

1.1POR电路长什么样

先通俗的科普一个概念，窗口比较器：常用两个比较器组成(双比较器)，它有两个阈值电压VT2(高阈值电压)及VT1(低阈值电压)，若VT1≤VA≤VT2，Vout输出高电平;若VAVT2，则Vout输出低电平。
  


图 1 双比较器

POR电路可以表示为窗口比较器，也就是一旦工作电压落在高低阈值之间，电路就自动复位。如图1.1所示。
  


图2 简化的POR电路

1.2POR怎么运作

比较器窗口通常由数字电源电平定义。数字模块控制模拟模块，数字模块全面工作所需的电压与模拟模块工作所需的最小电压相似。

较高的VT2阈值对模拟模块会更好，若过于接近推荐最小电源电压，当电压略微降低时，可能会意外触发复位。

如果器件包括独立的模拟电源和数字电源，则避免故障的一种策略是增加一个POR电路，使两个模块保持复位状态，直至电源电压高到足以确保电路正常工作。

1.3POR怎么对付短暂断电

POR 电路有时会集成一个掉电检测器(BOD)，用于防止电路在电压非常短暂地意外降低时发生复位。实际上，掉电电路给POR模块所定义的阈值电压增加了迟滞，通常为300mV左右。BOD保证，当电源电压降至VT2以下时，POR不会产生复位脉冲，除非电源电压降至另一阈值VBOD(VT2-300mv)以下，如图1.2所示。
  


图 3 掉电检测

掉电阈值电平足以保证数字电路保留信息，但不足以保证其正常工作。这样，如果电源电平只是非常短暂地降低的话，控制器可以在电源降至某一电平以下时中止活动，使整个器件都免于重新初始化。

1.4正确上电要掌握的三种情况

一、单调性电源有震荡时

实际的POR电路比图1.1所示的简化版本要复杂得多， POR电路需要一个启动模块来产生启动脉冲，这种情况下必须使用单调性电源(单调上升或下降而没有震荡的电源)，因为若使用非单调性电源，当偏差接近任何阈值电平时，非单调性斜坡可能会引起问题。

较高的阈值偏差会引起同样的非单调性序列对某一个元件有效，而对其他元件无效，如图1.3所示。
  


图4 非单调性电源斜坡
  


图 5 单调性电源斜坡

解决方法：使用单调性电源，避免斜坡引起问题。

二、系统无法启动 可能是残压

某些时候，即使断开电源(禁用LDO)，储能电容也会保留一定的残余电压，POR将无法正确复位，器件将无法正确初始化。如图1.4所示。
  


图6 残压

解决方法：此电压应尽可能小，以便保证残压能降至VT1 以下。

三、上电时序该如何安排

某些数据手册给出了应当应用于具有一个以上电源引脚的器件的推荐供电“时序”。遵守这个序列是很重要的。例如，想想一个具有两个独立电源的器件。
  


图 7 推荐上电时序

解决方法：推荐供电序列要求数字电源先于模拟电源供电(这是常规，因为数字模块控制模拟模块，所以必须首先为数字模块供电)，该模块必须首先初始化。哪个电源首先开始上升不重要，但数字电源必须先于模拟电源跨过阈值，如图1.5所示。如果电源之间的延迟为100 μs左右，则影响应当很小，器件应能正确初始化。

四、其他小结

由于内部三极管寄生效应，数百ms 的慢速电源斜坡可能会引起问题。POR 电路要在各种压摆率下进行评估，以保证其在正常电源条件下能正确工作。数据手册会说明是否需要快速电源斜坡(100 μs或更短)。

例如，对于用细电缆连接电源的电路板，不良的接地连接会具有高阻抗，它可能会在上电期间产生毛刺。另外，在某些电磁环境(EME)下，MOS晶体管的寄生栅极电容可能会充电，导致晶体管不能正常工作，除非让该电容放电。这可能引起POR初始化失败。

漂移和容差也需要考虑。某些情况下，电容等分立元件具有高容差(高达40%)和高漂移(随温度、电压和时间的漂移)。此外，阈值电压具有负温度系数。例如，VT1 在室温下为0.8V，在-40°C下为0.9 V，在+105°C 为0.7V。