高可靠性掉电保护电路设计

摘要提出掉电保护与系统复位同时作用，实现高度可靠的掉电保护电路的设计原理。介绍了ADM691微处理器监控电路特性及其构成的掉电保护电路。

关键词微处理器监控电路掉电保护

1问题的提出

在智能仪表及过程控制中常常要用掉电保护电路以长时间保存实时参数。通常可采用E²PROM、FLASH MEMORY以及以随机存储器为基础内置电池的非易失性芯片来实现。E²PROM、FLASH MEMORY属于可在线修改的ROM器件，它解决了应用系统中实时参数掉电后长时间保存的难题，但这类芯片写入速度慢，一般为毫秒级，擦写次数有限，一般为万次级，有些器件擦写次数能达到百万次，但对某些应用系统而言，其写入次数仍然是有限的。因此这类芯片只能用在需要保护的数据量小且写入不频繁的系统中。对那些需要大容量高速反复保存实时参数的应用系统，只能用随机存储器RAM加掉电保护电路来实现。掉电保护电路一般由低功耗的CMOS-RAM、供电电路及控制电路组成。供电电路保证在系统正常时由电源给RAM供电，系统掉电时自动转换到由备用电池给RAM供电；控制电路保证在电源供电时RAM正常读写，电池供电时RAM处于保护状态，特别要防止在系统上电/掉电过程中的瞬间干扰信号对RAM芯片的写入而改变RAM中的数据。基于RAM的掉电保护电路既具有RAM的高速写入、写入次数无限制的特点，又能象ROM那样长时间保存数据，因此得到了广泛的应用。实现上述原理的掉电保护方法很多，某些厂商甚至以RAM为基础内置电池，开发出了自掉电保护芯片。用这类单独的掉电保护芯片或电路构成的应用系统，在实际应用中有时出现工作不稳定现象。经分析发现：若系统电源的变化使RAM先处于保护状态，而系统尚未复位，微处理器正常工作，此时对RAM进行读写操作，因其已处于保护状态，必定发生数据读不出写不进的现象，引发系统故障。对于这种微处理器复位电平与掉电保护电平不一致而影响系统正常工作的问题，我们提出了用微处理器监控电路把系统复位与掉电保护联系在一起的解决方案。系统复位时存储器处于保护状态，系统工作时存储器处于可以正常读写，从而有效地解决了上述问题。下面介绍利用ADM691微处理器监控电路按上述原理实现的高可靠性的掉电保护电路。

2ADM691芯片介绍

ADM691是AD公司生产的一种高性能微处理器电源监视电路，其功能包括微处理器复位，备用电池切换，看门狗电路，CMOS-RAM写入保护及电源故障告警等。

2.1芯片主要特点

精确的4.65V监控；
上电、掉电、不正常低压供电产生复位输出；
100ms，1.6s 或可调看门狗计时器；
１μA待机电流；
备用电池电源切换；
芯片使能信号的在线选通；
电源故障报警。

2.2芯片引脚及功能

ADM691为16脚DIP和SO封装，引脚如图１所示。各引脚功能如下：

（1）V_BATT备份电池输入；

图1ADM691引脚

（3）V_CC输入电源电压+5V；

（2）V_OUT输出电源电压。当大于V_BATT且高于复位门限值时，V_OUT接到V_CC；当V_CC低于V_BATT且低于复位门限时V_OUT接到V_BATT；

（4）GND地；

（5）BATTON电池接通输出。当V_OUT接到V_BATT时为高；

（6）电源故障输出。V_CC降到复位门限以下时，变低，这个输出可用来产生一个不可屏蔽的电源故障中断；

（7）OSCIN外部复位和看门狗时钟输入。OSC SET接低电平时调节复位和看门狗时间，OSC SET浮空时OSCIN亦浮空，使复位时间为50ms，看门狗时间为1.6s；

（8）OSCSET内外时钟选择；

（9）PFI电源故障输入。当输入小于1.3V时，变低。

（10）电源故障输出。选择适当的电阻将V_CC分压送入PFI，使V_CC降到4.8V（高于复位电平150mV）时产生低跳变，触发非屏蔽中断，可以利用V_CC降到复位电平4.65V之前的这段时间，保存一些必要的参数；
（11）WDI看门狗触发输入。WDI保持不变，时间超过设定时间，则变低,复位有效,利用此功能可有效防止系统死机,增强抗干扰能力。

（12）RAM芯片使能输出。在有效期间，保持高电平，以禁止对RAM的选通；无效期间,复制，保证对RAM的正常读写；

（13）RAM芯片片选输入。μP产生的使能信号先接，经复制后再接RAM的片选，以保证系统正常工作时对RAM的正常读写，在复位期间禁止对RAM的操作，保护RAM中的数据；

（14）看门狗输出。WDI电平保持不变超过设定时间，将输出低电平；

（15）负复位输出。当V_CC下降至复位门限电压（4.65V）以下，有效时，输出低电平；当V_CC由低电平上升至高于复位门限电平，还将保持低电平50ms。在有效期间，一直为高电平；
（16）RESET正复位输出。

2.3ADM691复位时序

ADM691的复位时序如图2所示。

CXM.2.gif (3358 字节) 　

图2ADM691复位时序

3掉电保护电路设计

3.1硬件设计

图3给出了MCS-51单片机应用系统中ADM691与76C88组成的掉电保护电路原理图。

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图3MCS-51系统掉电保护电路原理图

76C88是CMOS型的RAM芯片，其容量为8Kbit，它有两个片选端和CS2，只有为低电平同时CS2为高电平时才能对它进行操作。因此将CS2接ADM691的输出端，同时写允许信号通过ADM691的使能控制输入端和输出端，间接从MCS-51的引入，保证在系统复位期间不能读写，有效地保护了76C88中的数据。结合图2ADM691的复位时序，图3的电路工作原理分析如下：

上电过程：当Vcc从0V上升到复位门限4.65V时，输出仍将维持有效电平50ms，以保证电源电压正常后系统的有效复位。有效期间76C88的CS2处于低电平，即片选信号无效，保证上电过程中片内数据不被改写。当V_CC大于V_BATT时，V_OUT自动切换到与V_CC相接，76C88转由V_CC供电。

正常工作：在此状态下，CS2为高电平，通过ADM691的使能电路复制，系统能对76C88进行读写操作。为提高系统的可靠性，在应用程序中插入看门狗触发指令，即P1.7的置位/复位指令，当程序正常执行时经常触发WDI。在程序“跑飞”超过1.6s不能触发看门狗时，RESET变高使系统复位。在此期间V_CC通过二极管D₁、电阻R₁给后备电池充电。

掉电过程：当V_CC从正常电压下降到复位门限4.65V时，立即有效，CS2变成低电平，76C88进入保护状态。保证掉电过程中片内数据不被改写。当V_CC小于V_BATT时，V_OUT自动切换到与V_BATT相接，76C88转由后备电池供电。

对多数应用系统，上电复位后程序从头开始即能满足要求，但对某些系统如由多道工序组成的流水线控制系统，突然停电后再来电时应接着原来的工序往下执行，这就要求计算机记录停电瞬间的系统参数，重新来电时根据记录的参数继续往下执行。利用ADM691的电源报警功能，能方便地达到这一目的。分析图3可知适当调节R₄，当V_CC下降到4.80V时，产生负跳变，向单片机发中断请求，V_CC从4.8V降到4.65V有几个毫秒的时间，足够单片机执行几百条甚至上千条指令，利用这段时间在中断服务程序中保护断点及实时参数。重新来电后转返断点继续执行。

3.2软件设计

图3所示单片机系统的软件可分成主程序和电源报警中断服务程序两部分。主程序中必须插入指令经常触发WDI，且间隔时间不能超过1.6s，报警中断必须设置为非屏蔽中断，MCS-51无，可以将设置成唯一的一个高级中断以替代。程序流程图如图4所示。