IC上電和關(guān)斷（1）：上電復(fù)位（POR）

現(xiàn)代集成電路采用精密復(fù)雜的電路來確保其開啟后進入已知狀態(tài)，保留存儲器內(nèi)容，快速引導(dǎo)，并且在其關(guān)斷時節(jié)省功耗。本文分兩部分，提供有關(guān)使用上電復(fù)位和關(guān)斷功能的一些建議。

簡介

許多IC 都包含上電復(fù)位(POR)電路，其作用是保證在施加電源后，模擬和數(shù)字模塊初始化至已知狀態(tài)。基本POR功能會產(chǎn)生一個內(nèi)部復(fù)位脈沖以避免競爭現(xiàn)象，并使器件保持靜態(tài)，直至電源電壓達到一個能保證正常工作的閾值。注意，此閾值電壓不同于數(shù)據(jù)手冊中給出的最小電源電壓。一旦電源電壓達到閾值電壓，POR電路就會釋放內(nèi)部復(fù)位信號，狀態(tài)機開始初始化器件。在初始化完成之前，器件應(yīng)當忽略外部信號，包括傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。唯一例外是復(fù)位引腳(如有)，它會利用POR信號內(nèi)部選通。POR電路可以表示為窗口比較器，如圖1 所示。比較器電平VT2在電路設(shè)計期間定義，取決于器件的工作電壓和制程尺寸。

POR策略

比較器窗口通常由數(shù)字電源電平定義。數(shù)字模塊控制模擬模塊，數(shù)字模塊全面工作所需的電壓與模擬模塊工作所需的最小電壓相似，如圖2所示。

較高的VT2閾值對模擬模塊會更好，但若過于接近推薦最小電源電壓，當電壓略微降低時，可能會意外觸發(fā)復(fù)位。如果器件包括獨立的模擬電源和數(shù)字電源，則避免故障的一種策略是增加一個POR電路，使兩個模塊保持復(fù)位狀態(tài)，直至電源電壓高到足以確保電路正常工作。例如，在一種3V IC工藝中，VT1 ≈ 0.8 V，VT2 ≈ 1.6 V。

這些電壓會隨著制程以及其他設(shè)計偏移而變化，但它們是合理的近似值。閾值容差可以是20%或更大，某些舊式設(shè)計的容差高達40%。高容差與功耗相關(guān)。POR必須一直使能，因此精度與功耗之間始終存在的取舍關(guān)系很重要;較高的精度會提高電路在待機模式下的功耗，而對功能性并無實際意義。

掉電檢測器

POR 電路有時會集成一個掉電檢測器(BOD)，用于防止電路在電壓非常短暫地意外降低時發(fā)生復(fù)位，從而避免故障。實際上，掉電電路給POR模塊所定義的閾值電壓增加了遲滯，通常為300mV左右。BOD保證，當電源電壓降至VT2以下時，POR不會產(chǎn)生復(fù)位脈沖，除非電源電壓降至另一閾值VBOD以下，如圖3 所示。

掉電閾值電平足以保證數(shù)字電路保留信息，但不足以保證其正常工作。這樣，控制器可以在電源降至某一電平以下時中止活動而不會讓整個器件都重新初始化，如果電源電平只是非常短暫地降低的話。

器件正確上電

實際的POR電路比圖1 所示的簡化版本要復(fù)雜得多，例如用MOS晶體管代替電阻。因此，必須考慮寄生模型。另外，POR電路需要一個啟動模塊來產(chǎn)生啟動脈沖，這在某些情況下可能會失效。其他重要考慮在以下內(nèi)容中說明。

必須使用單調(diào)性電源，因為若使用非單調(diào)性電源，當偏差接近任何閾值電平時，非單調(diào)性斜坡可能會引起問題。較高的閾值偏差會引起同樣的非單調(diào)性序列對某一個元件有效，而對其他元件無效，如圖4 所示。

某些時候，即使斷開電源(禁用LDO)，儲能電容也會保留一定的殘余電壓，如圖5 所示。此電壓應(yīng)盡可能小，以便保證電源能降至VT1 以下，否則POR將無法正確復(fù)位，器件將無法正確初始化。

某些數(shù)據(jù)手冊給出了應(yīng)當應(yīng)用于具有一個以上電源引腳的器件的推薦供電序列。遵守這個序列是很重要的。例如，想想一個具有兩個獨立電源的器件。推薦供電序列要求數(shù)字電源先于模擬電源供電(這是常規(guī)，因為數(shù)字模塊控制模擬模塊，所以必須首先為數(shù)字模塊供電)，該模塊必須首先初始化。哪個電源首先開始上升不重要，但數(shù)字電源必須先于模擬電源跨過閾值，如圖6 所示。如果電源之間的延遲為100 μs左右，則影響應(yīng)當很小，器件應(yīng)能正確初始化。

由于內(nèi)部三極管寄生效應(yīng)，數(shù)百ms 的慢速電源斜坡可能會引起問題。POR 電路要在各種壓擺率下進行評估，以保證其在正常電源條件下能正確工作。數(shù)據(jù)手冊會說明是否需要快速電源斜坡(100 μs或更短)。

例如，對于用細電纜連接電源的電路板，不良的接地連接會具有高阻抗，它可能會在上電期間產(chǎn)生毛刺。另外，在某些電磁環(huán)境(EME)下，MOS晶體管的寄生柵極電容可能會充電，導(dǎo)致晶體管不能正常工作，除非讓該電容放電。這可能引起POR初始化失敗。

漂移和容差也需要考慮。某些情況下，電容等分立元件具有高容差(高達40%)和高漂移(隨溫度、電壓和時間的漂移)。此外，閾值電壓具有負溫度系數(shù)。例如，VT1 在室溫下為0.8V，在-40°C下為0.9 V，在+105°C 為0.7V。

結(jié)論

本文討論了電路板上電時可能引發(fā)系統(tǒng)問題的一些常見問題，并說明了保證電路板正確初始化的基本原則。電源常常被忽視，但其最終電壓精度和過渡行為均很重要。