?電源意外關閉時MCU能否繼續(xù)完成相應操作

對于主電源掉電后需要繼續(xù)工作一段時間來用于數據保存或者發(fā)出報警的產品，我們往往都能夠看見產品PCB板上有大電容甚至是超級電容器的身影。大容量的電容雖然能延時系統(tǒng)掉電，使得系統(tǒng)在電源意外關閉時MCU能繼續(xù)完成相應操作，而如果此時重新上電，卻經常遇到系統(tǒng)無法啟動的問題。那么這到底是怎么回事呢?遇到這種情況又該如何處理呢?

一、上電失敗問題分析

1. 上電緩慢引起的啟動失敗

對于需要進行掉電保存或者掉電報警功能的產品，利用大容量電容緩慢放電的特性來實現這一功能往往是很多工程師的選擇，以便系統(tǒng)在外部電源掉電的情況下，依靠電容的儲能來維持系統(tǒng)需要的重要數據保存及安全關閉的時間。此外，在不需要掉電保存數據的系統(tǒng)中，為了防止電源紋波、電源干擾及負載變比引起供電電壓的波動，在電源輸出端也需要并接一個適當的濾波電容。

電路中增加電容，雖然使系統(tǒng)在某些方面能滿足設計要求，但是由于電容的存在，系統(tǒng)的上電時間也會相應的延長，下電時由于電容放電緩慢，下電時間也會更長。而上下電時間的延長，對于MCU來說，往往會帶來意外的致命缺點。

比如某系列的MCU，就經常能遇到客戶反饋說系統(tǒng)在掉電后重新上電，系統(tǒng)啟動失敗的問題，一開始工程師以為是軟件的問題，花費了很大的時間和精力來找BUG，問題仍然沒有很好的得到解決。后來查翻手冊發(fā)現，發(fā)現該系列的MCU對于上電時間是有一定要求的(其實幾乎所有品牌的MCU都有上下電時序要求)。

圖1：上電要求

從圖1我們可以看出，芯片輸入電源從200mV以下為起點上升到VDD的時間tr，手冊要求是最長不能超過500ms。而電路中的大電容乃至超級電容，顯然會大大拉長這個上電時間，對于沒有詳細選擇參數的電源設計來說，這個時間甚至可能會遠遠大于500ms。這樣的話就不能很好地滿足芯片的上電時間要求，從而導致系統(tǒng)無法啟動，或者器件內部上電時序混亂而引起器件閂鎖的問題。

所以電源的上電緩慢對于MCU處理器來說，有時也是一個“頭痛”問題，那么如何有效的解決上電緩慢這個問題呢?先別急，我們再來說說系統(tǒng)下電緩慢帶來的問題。而且下電緩慢引起的問題，比上電時間過長的問題更普遍。

2. 下電緩慢引起的啟動失敗

其實上面提到的上電圖中，還有一個至關重要的參數，那就是圖中的twait。我們可以從圖中看到twait的最小數值為12μs。這個參數的含義就是說，在上電之前，芯片的輸入電源需保持在200mV以下至少12μs的時間。這個參數就要求我們的電路在掉電后，如果需要對系統(tǒng)重新上電的話，必須讓芯片的輸入電源電壓至少有12μs的時間是在200mV以下。換個角度表述就是：在下電后，必須讓MCU的供電電壓降到200mV以下才能再次上電(12μs很短，幾乎可以忽略)，系統(tǒng)才能可靠運行。

由于電路中存在大電容，系統(tǒng)負載又小，導致電路下電緩慢，當我們再次上電時，芯片電源電壓此時可能還沒有降到200mV 以下，如下圖2所示：

圖2：緩慢掉電再上電示意圖

由于電路中存在較大的電容，在系統(tǒng)掉電后，系統(tǒng)負載不能很快的泄放能量時，就會出現MCU等數字器件掉電緩慢的情況。此時重新上電的話，由于不符合上文提到的降到200mV以下 12μs以上的要求，芯片內部就沒有及時“歸零”。對MCU等數字器件來說，這是一種不確定的狀態(tài)，此時再對系統(tǒng)進行重新上電的操作，就容易造成MCU邏輯混亂，從而出現器件閂鎖，系統(tǒng)不能啟動的情況。

掉電緩慢也會導致MCU等數字器件內部掉電時序的混亂，特別是對于需要多路電源的MCU處理器，它們對于上電時序和掉電時序有更高的要求，內部時序的混亂會引起器件閂鎖，系統(tǒng)無法啟動。這也是為什么很多產品重啟時，系統(tǒng)往往無法啟動。

因此我們可以看出，系統(tǒng)上電或下電緩慢都有可能會造成MCU無法啟動或者啟動異常的情況，那么如何對緩慢的上電放電過程進行干預，提升上電斜率，縮短掉電時間呢?

二、解決方案推薦

當遇到系統(tǒng)啟動失敗的問題時，請先使用示波器檢查器件的供電引腳是不是存在上電緩慢，掉電緩慢，不徹底的情況。當遇到該情況時，可以選擇在電路中搭配使用廣州周立功單片機科技有限公司研發(fā)的小體積、低內阻的電源調理模塊：QOD-ADJ。

該模塊可以保證在系統(tǒng)上電時，當電壓達到額定電壓的約70%-75%左右才開啟輸出，此后輸出跟隨輸入，相當于給系統(tǒng)一個極快上電的電源。下電時，該模塊可以對電容殘存電壓自動放電，可以在極短的時間內到達100mV以下，從而解決短時間內再次上電時系統(tǒng)處于鎖死狀態(tài)的問題。正所謂是上電下電兩不誤!使系統(tǒng)上下電都能穩(wěn)定可靠。

圖3：QOD-ADJ模塊

QOD-ADJ具有以下功能：

• 在系統(tǒng)電源開啟時的快速上電，提升上電斜率；

• 電源關斷時使容性負載快速放電到近0V的狀態(tài)；

• 可外部控制的單通道負載開關；

• 使用簡單方便，串入需要控制的電路中即可。

三、產品使用示例

使用下圖4所示電路進行對我們的產品進行測試：

圖4：測試電路圖

當VIN=5V，Cin=2.5F(超級電容)，CL=100μF，RL=10Ω時的上電曲線和掉電曲線如圖5圖6輸入端2.5F超級電容及負載10Ω下電曲線所示。

圖5：輸入端2.5F超級電容及負載10Ω上電曲線

圖6：輸入端2.5F超級電容及負載10Ω下電曲線

1. 顯著縮短上電時間

由上面兩圖可以清楚的看出因為有超級電容的存在，VIN的上電曲線(藍色曲線)爬升緩慢，而經過模塊之后(Vout紅色曲線)顯著縮短了上電時間，使后級電路能在短時間內達到一種確定的狀態(tài)。

2. 顯著加快掉電速度

由圖可以看出在系統(tǒng)掉電時，由于有超級電容的存在，模塊前端(藍色曲線)掉電速度，異常緩慢，經過模塊之后(紅色曲線)能顯著加快放電速度，使得后級電路在極短的時間內到達一種確定的狀態(tài)。

系統(tǒng)中的器件對于電源的上下電有嚴格的要求，在產品的設計當中，要關注核心器件的上下電要求，包括上下電的時序，斜率等，不合理的設計往往會引起系統(tǒng)上電無法啟動等異常情況。