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(jìn)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(shí)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(gè)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(dá)到一個(gè)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(dá)到閾值電壓，POR電路就會釋放內(nèi)部復(fù)位信號，狀態(tài)機(jī)開始初始化器件。在初始化完成之前，器件應(yīng)當(dāng)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(jì)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(dāng)電壓略微降低時(shí)，可能會意外觸發(fā)復(fù)位。如果器件包括獨(dú)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(gè)POR電路，使兩個(gè)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(jì)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(jì)的容差高達(dá)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(jī)模式下的功耗，而對功能性并無實(shí)際意義。

掉電檢測器

POR 電路有時(shí)會集成一個(gè)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(shí)發(fā)生復(fù)位，從而避免故障。實(shí)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(dāng)電源電壓降至VT2以下時(shí)，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(shí)中止活動而不會讓整個(gè)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(shí)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(gè)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?yàn)槿羰褂梅菃握{(diào)性電源，當(dāng)偏差接近任何閾值電平時(shí)，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(gè)元件有效，而對其他元件無效，如圖4 所示。

某些時(shí)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(dāng)應(yīng)用于具有一個(gè)以上電源引腳的器件的推薦供電序列。遵守這個(gè)序列是很重要的。例如，想想一個(gè)具有兩個(gè)獨(dú)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?yàn)閿?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(gè)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(dāng)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(jìn)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(xì)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(dá)40%)和高漂移(隨溫度、電壓和時(shí)間的漂移)。此外，閾值電壓具有負(fù)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(shí)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。