IC上电和关断

现代集成电路采用精密复杂的电路来确保其开启后进入已知状态,保留存储器内容,快速引导并且在其关断时节省功耗。本文分两部分,提供有关使用上电复位和关断功能的一些建议。

上电复位

简介

许多IC 都包含上电复位(POR)电路,其作用是保证在施加电源后,模拟和数字模块初始化至已知状态。基本POR功能会产生一个内部复位脉冲以避免"竞争"现象,并使器件保持静态,直至电源电压达到一个能保证正常工作的阈值。注意,此阈值电压不同于数据手册中给出的最小电源电压。一旦电源电压达到阈值电压,POR电路就会释放内部复位信号,状态机开始初始化器件。在初始化完成之前,器件应当忽略外部信号,包括传输的数据。唯一例外是复位引脚(如有),它会利用POR信号内部选通。POR电路可以表示为窗口比较器,如图1 所示。比较器电平VT2在电路设计期间定义,取决于器件的工作电压和制程尺寸。

Figure 1
图1.简化的POR电路

POR策略 

比较器窗口通常由数字电源电平定义。数字模块控制模拟模块,数字模块全面工作所需的电压与模拟模块工作所需的最小电压相似,如图2所示。

Figure 2
图2.POR阈值电压

较高的VT2阈值对模拟模块会更好,但若过于接近推荐最小电源电压,当电压略微降低时,可能会意外触发复位。如果器件包括独立的模拟电源和数字电源,则避免故障的一种策略是增加一个POR电路,使两个模块保持复位状态,直至电源电压高到足以确保电路正常工作。例如,在一种3V IC工艺中,VT1 ≈ 0.8 V,VT2 ≈ 1.6 V。

这些电压会随着制程以及其他设计偏移而变化,但它们是合理的近似值。阈值容差可以是20%或更大,某些旧式设计的容差高达40%。高容差与功耗相关。POR必须一直使能,因此精度与功耗之间始终存在的取舍关系很重要;较高的精度会提高电路在待机模式下的功耗,而对功能性并无实际意义。

掉电检测器

POR 电路有时会集成一个掉电检测器(BOD),用于防止电路在电压非常短暂地意外降低时发生复位,从而避免故障。实际上,掉电电路给POR模块所定义的阈值电压增加了迟滞,通常为300mV左右。BOD保证,当电源电压降至VT2以下时,POR不会产生复位脉冲,除非电源电压降至另一阈值VBOD以下,如图3 所示。

Figure 3
图3.掉电检测器

掉电阈值电平足以保证数字电路保留信息,但不足以保证其正常工作。这样,控制器可以在电源降至某一电平以下时中止活动而不会让整个器件都重新初始化,如果电源电平只是非常短暂地降低的话。

器件正确上电

实际的POR电路比图1 所示的简化版本要复杂得多,例如用MOS晶体管代替电阻。因此,必须考虑寄生模型。另外,POR电路需要一个启动模块来产生启动脉冲,这在某些情况下可能会失效。其他重要考虑在以下内容中说明。

必须使用单调性电源,因为若使用非单调性电源,当偏差接近任何阈值电平时,非单调性斜坡可能会引起问题。较高的阈值偏差会引起同样的非单调性序列对某一个元件有效,而对其他元件无效,如图4 所示。

Figure 4
图4.非单调性电源斜坡

某些时候,即使断开电源(禁用LDO),储能电容也会保留一定的残余电压,如图5 所示。此电压应尽可能小,以便保证电源能降至VT1 以下,否则POR将无法正确复位,器件将无法正确初始化。

Figure 5
图5.残余电压

某些数据手册给出了应当应用于具有一个以上电源引脚的器件的推荐供电序列。遵守这个序列是很重要的。例如,想想一个具有两个独立电源的器件。推荐供电序列要求数字电源先于模拟电源供电(这是常规,因为数字模块控制模拟模块,所以必须首先为数字模块供电),该模块必须首先初始化。哪个电源首先开始上升不重要,但数字电源必须先于模拟电源跨过阈值,如图6 所示。如果电源之间的延迟为100 μs左右,则影响应当很小,器件应能正确初始化。

Figure 6
图6.推荐供电序列

由于内部三极管寄生效应,数百ms 的慢速电源斜坡可能会引起问题。POR 电路要在各种压摆率下进行评估,以保证其在正常电源条件下能正确工作。数据手册会说明是否需要快速电源斜坡(100 μs或更短)。

例如,对于用细电缆连接电源的电路板,不良的接地连接会具有高阻抗,它可能会在上电期间产生毛刺。另外,在某些电磁环境(EME)下,MOS晶体管的寄生栅极电容可能会充电,导致晶体管不能正常工作,除非让该电容放电。这可能引起POR初始化失败。

漂移和容差也需要考虑。某些情况下,电容等分立元件具有高容差(高达40%)和高漂移(随温度、电压和时间的漂移)。此外,阈值电压具有负温度系数。例如,VT1 在室温下为0.8V,在-40°C下为0.9 V,在+105°C 为0.7V

结论

本文讨论了电路板上电时可能引发系统问题的一些常见问题,并说明了保证电路板正确初始化的基本原则。电源常常被忽视,但其最终电压精度和过渡行为均很重要。

参考电路

深入了解digiPOT规格与架构,提升交流性能”。,模拟对话, 第45 卷第3 期


作者

Miguel Usach Merino

Miguel Usach Merino

Miguel Usach Merino获瓦伦西亚大学电子工程学位。2008年加入ADI公司,任爱尔兰利默里克精密DAC部的应用工程师。

Dushyant-Juneja

Dushyant Juneja

Dushyant Juneja is a CAD engineer at Analog Devices. He works predominantly in AMS verification, behavioral modeling, and ESD protection for AMS designs. He received his master’s degree in instrumentation engineering from the Indian Institute of Technology, Kharagpur (2012), and his bachelor’s degree in electrical engineering from the Institute of Technology, BHU, Varanasi (2010).