了解μP監控器的價值，以確保在上電、斷電和掉電情況下（欠壓監控）期間系統正常運行。此外，還提供有關過壓和窗口監控的信息。介紹其他功能，如手動復位、看門狗定時器、備用電池和芯片使能門控。討論多電壓監控的必要性。

微處理器監控電路已經存在了很多年，以至于它們通常被認為是理所當然的。現代集成電路版本并非如此，從簡單的三端子復位芯片到復雜的多功能設備。僅Maxim就提供近100個零件號，每個零件號都有數千種產品。通過了解這些產品及其基本功能，板級設計人員可以處理 最簡單和最復雜的應用程序。

微處理器（μP）監控器最基本的功能是“上電復位”（POR）。否則，基于μP的良好系統在上電期間或電源電壓暫時下降（掉電）時可能會出現問題。多年來，這個問題的部分解決方案是在μP的/RESET線路上增加一個電阻、一個電容和一個二極管（圖1）。

圖1.這種粗糙的監控電路只是VDD監控問題的部分解決方案。

增加的 RC 導致電源電壓開始上升后，/復位有效保持低電平。如果電壓上升得足夠快，則/RESET將足夠低，以保持μP復位，從而允許其電路在恢復正常工作之前穩定下來。當電源關閉并降至零時，二極管也可確保為/RESET提供快速的高低轉換。

只要電源相對于RC時間常數快速上升，這種方法就相當適用于上電。該電路的工作是保護μP免受不完美的上電影響，但它依賴于電源電壓足夠快地上升來實現此目的。在掉電期間重置μP也不可靠。為了實現該條件下的復位，電源電壓必須降至V電平伊利諾伊州減一 二極管壓降。然而，在達到此水平之前很久，電源電壓就遠低于其最低規格。

為了處理這種情況，微處理器供應商通常推薦與圖2相當的電路。當電源下降時，它會強制復位，但電壓精度僅限于齊納二極管的電壓精度以及與晶體管特性相關的誤差。

圖2.該電路為圖1所示的VDD監視器增加了掉電能力，但它提供的精度和實用性有限。

超時功能可以通過增加一個電容器和一個二極管連接到該電路上。由此產生的電路有七個元件，在精度和電源電壓上升緩慢方面仍然存在問題。

多準確才算足夠準確？

考慮一個常見示例，其中處理器采用標稱 5V 電源工作，額定工作電壓低至 4.5V。對于低于4.5V的所有電壓，復位電路應保持復位，因此其最小門限必須為4.5V。那么，復位閾值隨溫度和單元之間的擴散上限應該是多少？如果您想與電源設計人員遇到麻煩，您可以將電源指定為 5V ±0%，但更可能的范圍是 4.75V 至 5.25V。因此，您應該保證閾值在4.5V和4.75V之間;即4.63V ±2.7%。

齊納二極管可以調節閾值電壓，但典型齊納二極管的精度為±5%至±10%。對于高價，您可以指定更嚴格的公差（至±1%），但僅適用于室溫和特定電流。所有齊納二極管的電壓隨電流變化顯著，典型溫度系數（TC）為幾mV/°C。 基于齊納二極管的復位電路不足以保證啟動時和掉電期間的正確復位。更糟糕的是，即使是低電流齊納二極管也需要0μA電流才能實現穩壓，這在電池供電系統中是一個相當大的負載。

理想的復位電路應該如何工作？

我們已經確定復位電路的電壓容差在整個溫度范圍內不應超過±2.7%。但是，如果沒有適當的延遲終止復位脈沖，電路在兩種情況下會發生故障：如前所述電源電壓緩慢上升，或者在啟動或從掉電條件恢復期間表現出噪聲或非單調行為的電源電壓。如果監控電源電壓正好位于復位電路門限處，則噪聲往往會反復觸發、取消觸發和重新觸發電路，從而導致μP的/RESET輸入振蕩。

遲滯可以解決這個問題，市場上提供了幾個電壓檢測器產品系列，試圖以這種方式解決這一難題。遺憾的是，遲滯縮小了閾值的允許電壓容差。在上面的例子中，我們有250mV（4.75V D 5.0V）可以使用。如果增加100mV的遲滯，則上升電壓的最小閾值將比以前高100mV，即4.6V而不是4.5V。這種轉變對于保證電壓下降的閾值（在掉電期間）不低于4.5V是必要的。因此，為了確保兩個門限都在4.5V和4.75V之間，上限必須為4.67V ±1.6%。

這種類型的常見電壓檢測器，如理光Rx5VL/Rx5VT和精工S-807，其25°C閾值精度分別為±2.5%和±2.4%。實際器件的工作溫度超過25°C，但這些產品僅規定了100ppm/°C和120ppm/°C的典型溫度系數。 這些TC在2°至85°C范圍內的閾值容差分別為±2.82%和±0.70%。

精工S-808系列代表了這種類型的最新精密零件。它們規定 2°C 時的精度為 ±25%，最大溫度系數為 350ppm/°C。 在0°C至70°C范圍內，該最大溫度系數對應于350e-6 x 70 = 0.0245或2.45%的變化。因此，我們的最壞情況準確率為 ±3.225%。如果我們假設最壞的情況 部分不會在整個溫度范圍內表現出最大溫度系數，而是（平均）大約是最大值的一半，那么得到的最大變化（±2.6125%）對于上述示例來說已經足夠好了。

我們還沒有考慮滯后。上述分析表明，上升沿閾值符合我們的規范。但是，下降沿閾值將更低。所有這些探測器的滯后典型值為5%，最大值為7%或8%。本例中的上升沿閾值在所需范圍內（4.5V至4.75V），但下降沿閾值可低至4.13V。也就是說，在電源電壓幾乎超出規格0.4V之前，我們無法保證掉電檢測！

電子拖延是答案

為了防止檢測閾值處的振蕩行為而不訴諸過度遲滯，我們必須延遲復位脈沖的后沿。與上述RC電路一樣，在電源電壓超過檢波器閾值后，復位脈沖必須保持一段時間。此間隔稱為“延遲時間”或“重置活動超時期限”。然而，與RC電路延遲不同的是，當電源電壓超過檢波器中精確調整的閾值時，就會觸發此延遲。延遲也應可重新觸發，以防止μP復位信號振蕩。當電源電壓緩慢上升導致檢波器門限處出現多個觸發事件時，每個事件應重新啟動超時。

提供這種基本功能的器件已經存在了很長時間，近年來已經采用微型三端子SOT23封裝。首款SOT23器件（MAX809）已成為被大量復制的行業標準。通用809提供多個工廠調整的復位閾值，在-2°C至+6°C范圍內提供±40.85%的保證精度。809 還保證 140ms 的最小活動超時復位周期。它提供了上述所有功能，并且比離散組件方法簡單得多。圖3說明了809電路的簡單性。

圖3.三端監控IC將電壓監控（啟動和掉電）與復位延遲功能相結合。

MAX809的電流消耗高達60μA。該器件的一些最新克隆產品，包括IMP的IMP809和ETC的ETC809，具有15μA至20μA范圍內的最大電源電流。然而，新的MAX6326和MAX6346系列以低得多的電源電流提供相同的功能。對于低于 1.0V 的閾值電壓，它們的最大電流為 5μA （典型值為 3.2μA），對于較高的閾值電壓，它們的最大電流為 1.75μA （典型值為 1μA）。

當電源監控不夠時

三終端監控器提供主要監控功能，但許多應用程序需要更多的監控器。通常需要的基本功能是按鈕或手動復位輸入。此功能允許您通過瞬時按鈕開關啟動復位。它還可以對多個二進制信號進行選通，或對μP的復位輸入進行另一個復位。該輸入使用與電源監視器相同的延遲功能進行去抖動。增強型監控器需要第四個引腳，由 SOT-143（四引腳 SOT-23）提供。上述三端設備的大多數制造商也制造包含此功能的四終端設備。

大多數早期的SOT器件都有五個左右的標準閾值電壓。然而，Maxim的四端器件中的兩款（MAX6314和MAX6315）是越來越多的監控器中的第一款，可提供廣泛的定制門限和復位超時。最常見的組合可作為標準產品提供，但工程師還可以指定2.5V至5.0V的閾值電壓，增量為100mV，最小復位延遲時間為1ms、20ms、140ms或1.12s。

汪！

基于微處理器的系統的另一個常見要求是看門狗定時器（WDT）。WDT 提供針對流氓軟件和其他導致軟件執行“雜草叢生”的異常情況的保護。WDT只是一個可重啟的定時器，其輸出（/WDO）在超時時改變狀態，復位μP或產生中斷。為防止 WDT 超時，請將 I/O 線路從 μP 連接到 WDT 輸入 （WDI）。然后，軟件必須在此行上生成轉換，在超時之前反復重新啟動看門狗。否則，WDO 將觸發中斷或重置。

但是我的微處理器具有看門狗功能

許多μP具有內部看門狗定時器，但其中許多WDT不提供完整的保護。通常，WDT可以禁用，也可以通過軟件啟用。如果軟件可以禁用 WDT，則 WDT 無法完全保護系統免受軟件侵害。要消除這種責任，您需要一個無法通過軟件禁用的外部硬件看門狗定時器。

許多器件都具有此功能，包括無處不在的達拉斯半導體DS1232;它是市場上重復最多的監控電路之一（圖 4a）。該器件提供與四端子器件相同的功能，以及可通過其TD引腳對三個不同周期中的任何一個進行編程的WDT。使用 TOL 引腳，您還可以將閾值設置為兩個工廠設置電壓之一。'1232 還具有互補的復位輸出。原始版本僅提供 16 引腳 DIP 和 <> 引腳寬 SO 封裝。較新版本采用八引腳 SO。

大多數應用不需要'1232'的可編程性或互補輸出。消除這些功能后，引腳數減少到23個，允許在SOT23的823引腳版本中實現其余功能。首批采用五引腳SOT824的器件是MAX4和MAX1232（圖823b）。與'824一樣，其WDT輸出與電源監視器輸出在內部門控，以提供單個/RESET輸出。MAX<>具有/有效/復位，MAX<>具有高電平有效復位。

圖4.這些常用的監控IC包括看門狗定時器和手動復位輸入。

與三端子和四端子器件一樣，這些首批五引腳SOT器件催生了一系列器件，為設計人員提供了更大的變化和靈活性。例如，MAX6316至MAX6322器件在SOT23-5中提供多種特性組合和輸出結構。這些產品的可用版本提供 100.2V 至 5.5V 之間以 0mV 為增量的復位門限、四種不同的最小復位超時（1ms、20ms、140ms 或 1.12s）和四種不同的最小 WDT 超時周期（4.3ms、71ms、1.12s 或 17.9s）。

使用單芯片監控多個電壓

許多系統需要多個電源電壓才能工作。這些電壓可以用多個器件監控，但大多數設計人員更喜歡使用單個器件來監控兩個或多個電壓。例如，Dallas DS1834監視5V電源和3V或3.3V電源。

同時包含模擬和數字電路的系統通常需要同時監視數字電源電壓以及正負模擬電源電壓。MAX6304、MAX6307或MAX6310（采用SOT封裝）加上<>個外部電阻即可完成這項工作。 IC的區別僅在于復位輸出的結構：低真開漏、低真推挽或高真推挽。它們監控 V 處的電壓抄送引腳采用工廠預設復位門限，范圍為2.5V至5.0V，步長為100mV。每個器件包括外部設置的欠壓和過壓比較器，其閾值由外部分壓器設置。這兩個比較器的欠壓和過壓輸入可以實現窗口復位功能，在特定電壓過高或過低時發出警告（通過產生復位）。

或者，您可以將過壓輸入用作負電壓的欠壓檢測器。將此功能與預設和可配置的欠壓檢測器相結合，芯片能夠監視邏輯電壓（如 5V）以及正負模擬電壓（如 ±12V）（圖 5）。所示器件具有低真推挽復位輸出（6310基數）、標稱4.63V預設閾值（“46”后綴）和標稱200ms復位超時（D3后綴）。當模擬電壓小于±10V時，所示的外部電阻產生復位。

圖5.內部比較器實現欠壓/過壓警告和窗口復位功能。

為了確保電源電壓損失時SRAM內容和其他關鍵功能的連續性，許多較舊的監控電路能夠（在復位的同時）將施加到此類子系統的電源從系統電源切換到備用電池。隨著閃存的出現，對這種電池備份切換的需求正在下降，但它仍然存在于許多系統中。大多數較舊的監控器芯片都有用于電池和系統電源的內部開關，對于較大的負載，它們還可以通過驅動外部電源來切換系統電源。 晶體管。

電池備份切換的配套功能是芯片使能寫保護或芯片使能門控（/CE選通）。來自μP或地址解碼邏輯的/CE線通常進入SRAM，而是通過監控芯片路由到SRAM。該信號通常原封不動地通過芯片。然而，在復位期間，監控芯片強制/CE為高電平，從而禁止對存儲器的訪問，從而保護SRAM內容免受暫時失去理智的μP的錯誤寫入。

最新的監控芯片是相對簡單的器件，采用SOT等小型封裝，但有些芯片提供附加功能。例如，MAX818提供基本的電源監視和看門狗功能，以及電池備份切換和CE門控，采用6引腳μMAX封裝（圖<>）。該部件中的電池備份切換電路還提供“電池新鮮度密封”，可防止安裝在產品中的電池在發貨前放電。

圖6.該監控器件包括看門狗定時器、電池備份切換和芯片使能門控，以及基本的電源電壓監控。

在產品生產過程中啟用新鮮度密封：安裝電池后，測試設備強制/CE OUT線接地，施加V抄送，然后刪除 V抄送重置超時期限到期后。即使監控芯片斷電，內部電池備份電路也能保持電池和負載斷開。然后芯片在下次V時恢復正常工作抄送應用（無需外部保持/CE OUT低電平）。

更復雜的設備提供的另一個特性是低線輸出。該二進制輸出由內部比較器觸發，該比較器監視電源電壓，其閾值略高于復位閾值。通過中斷監視該引腳，μP會提前收到由于電壓驟降而即將復位的警告。

一些器件提供內部“電源故障”比較器，一個輸入連接到內部基準，另一個輸入（和輸出）未提交。這種布置允許設計人員使用外部分壓器檢測任何所需的電壓電平。它通常用于檢測來自施加在 V 的電池或線路衍生源的原始電壓抄送調節器。當輸入電壓接近適當調節允許的最小值時，電源故障輸出通知μP。這種預警可以讓系統在斷電之前執行有序關機。這種復雜的多功能監控電路包括DS1236、MAX793和MAX807。

然而，某些復雜的任務關鍵型應用的要求超出了任何單個芯片的能力，包括這些多功能監控器。一個很好的例子是運動工程公司（加利福尼亞州圣巴巴拉）的高端多軸運動控制器。這些系統（XMP 系列）使用標準監控器和一些最少的外部邏輯的組合來實現獨特、全面的保護方案（圖 7）。該系列的初始成員（PCI 版本和緊湊型 PCI （CPCI） 版本）提供 150+ MFLOPS 的 DSP 功率和控制多達 16 個軸;即 16 臺電機緊密同步。

圖7.多個IC為復雜的任務關鍵型系統提供監控保護。

由于控制器和電機驅動器之間的事實上的標準接口是 ±10V 信號，因此 XMP 通過板載 DC-DC 轉換器產生 ±15V 電源電壓，為輸出級供電。它利用這些電壓以及CPCI規范標配的±12V、+5V和+3.3V電壓。對于 PCI 版本的運動控制器，3.3V 是使用另一個 DC-DC 轉換器從 5V 派生出來的。由于模擬輸出直接控制電機速度（或扭矩），因此在故障情況下它們復位為零。系統監視所有電源電壓，如果任何電源電壓超出規格，則關斷模擬輸出。

同樣，硬件使用看門狗定時器 （WDT） 來保護自身、電機和電機負載免受軟件問題的影響。WDT 的短超時 （4ms） 可在損壞發生之前捕獲錯誤條件。在啟動時，WDT 必須推遲，直到主機和 XMP 通電并同步。然后，WDT 以這樣一種方式啟用，即軟件無法在未完全重置 DSP 的情況下再次禁用它。

主機或外部信號也可以觸發硬復位，導致完全重啟，使電路板處于與初始上電后相同的狀態。WDT 僅觸發軟復位，這會復位模擬輸出并導致 FPGA 在不重新加載其配置的情況下復位其 I/O。軟復位條件將鎖定，直到主機決定要執行的操作。所有其他來源都會導致硬重置。

一個MAX6307監視±15V電源;另一個監視 ±12V 電源。如上所述，過壓輸入用作負電源電壓的欠壓檢測器。漏極開路復位輸出采用線或線連接，并通過主機生成的復位進行選通，主機通過PCI接口將特定值寫入CPLD寄存器。結果施加于MAX6315的手動復位（/MR）輸入，外部復位輸入施加于另一MAX6315的/MR輸入。一個'6315（出廠設置為4.63V）監視5V電源，另一個（出廠設置為2.93V）監視3.3V電源。其線或輸出產生硬復位，導致整個電路板返回到上電狀態。

采用μMAX封裝的MAX6303用于看門狗定時器。該器件使用兩個外部電容器為看門狗和復位功能設置獨立的超時周期。看門狗周期根據WDS數字輸入的狀態乘以1X或500X。一個外部 WDT 電容器和 WDS 引腳的組合可提供 100μs 至數分鐘的 WDT 周期。MAX6303還具有欠壓檢測器（未使用），由兩個外部電阻設置。

將MAX6303 WDS引腳驅動至高電平并浮動其WDI輸入禁用WDT。利用此功能和XMP上CPLD中DSP電路中的兩個標志，在硬復位后禁用MAX6303的WDT。第一面旗幟用作WDT STROBE;第二個作為 WDT /ENABLE（低真）。STROBE信號在應用于WDI之前會經過CPLD中的三態緩沖器。ENABLE 信號由 CPLD 上的觸發器記錄，觸發器輸出控制選通的三態緩沖器。

STROBE 信號路徑中的觸發器和類似的 CPLD 電路可確保兩個信號都處于高電平狀態，從而禁用 WDT。一旦 DSP 正確啟動，它將啟用標志設置為低電平。此操作將 WDS 觸發器清除為零，從而允許 STROBE 信號從 CPLD 傳播到 WDT 輸入。此轉換將啟用 WDT。觸發器的配置使得WDS輸入在未完全復位DSP的情況下無法再次變為高電平。為避免軟復位，DSP 現在必須每 4ms 為 WDT 提供服務。

WDT 異步超時在 CPLD 中鎖存其復位輸出，進而清除駐留在 CPLD 中的主機接口寄存器。此操作將標記主機已發生軟重置。鎖存復位退出CPLD，對FPGA進行軟復位，并通過硬復位（MAX6315輸出）進行門控，以禁用（零）模擬輸出。采用SOT封裝的74x08柵極可在極低電壓下工作，確保復位在5V電源驟降時保持有效。由于模擬控制輸出已被禁用，主機現在可以在閑暇時決定該怎么做。它可以通過PCI接口重新啟動DSP，并在DSP準備就緒時通過清除閂鎖來移除軟復位。或者，它可以重新啟動整個系統。

MEI使用三種標準監控產品、一個通用的SOT23封裝門和最少的CPLD資源，實現了非常復雜的保護。該電路包括 16 個 SOT 封裝、<> 個小電阻、<> 個小電容器和一個 <> 引腳 μMax 封裝，尺寸僅為 SO-<> 封裝的一半。所需的總電路板空間與標準 <> 引腳 SO 和 <> 引腳 SO 封裝占用的總電路板空間大致相同。

微處理器監控IC為當今的大多數應用提供了所需的保護，從最簡單的上電復位到復雜的多重監控功能。為了最大限度地延長系統的正常運行時間，設計人員必須了解這些IC的功能、實用性和局限性。即使沒有單個部件包含特定應用所需的所有功能，明智地使用較小的構建塊組件也可以以最小的空間使用完成經濟高效的工作。

審核編輯：郭婷