?電源重新上電引起的MCU啟動(dòng)失敗的原因分析

對(duì)于主電源掉電后需要繼續(xù)工作一段時(shí)間來(lái)用于數(shù)據(jù)保存或者發(fā)出報(bào)警的產(chǎn)品，我們往往都能夠看見(jiàn)產(chǎn)品PCB板上有大電容甚至是超級(jí)電容器的身影。大容量的電容雖然能延時(shí)系統(tǒng)掉電，使得系統(tǒng)在電源意外關(guān)閉時(shí)MCU能繼續(xù)完成相應(yīng)操作，而如果此時(shí)重新上電，卻經(jīng)常遇到系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)的問(wèn)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(wèn)題分析

1. 上電緩慢引起的啟動(dòng)失敗

對(duì)于需要進(jìn)行掉電保存或者掉電報(bào)警功能的產(chǎn)品，利用大容量電容緩慢放電的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)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(chǔ)能來(lái)維持系統(tǒng)需要的重要數(shù)據(jù)保存及安全關(guān)閉的時(shí)間。此外，在不需要掉電保存數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，為了防止電源紋波、電源干擾及負(fù)載變比引起供電電壓的波動(dòng)，在電源輸出端也需要并接一個(gè)適當(dāng)?shù)臑V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(shè)計(jì)要求，但是由于電容的存在，系統(tǒng)的上電時(shí)間也會(huì)相應(yīng)的延長(zhǎng)，下電時(shí)由于電容放電緩慢，下電時(shí)間也會(huì)更長(zhǎng)。而上下電時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)于MCU來(lái)說(shuō)，往往會(huì)帶來(lái)意外的致命缺點(diǎn)。

比如某系列的MCU，就經(jīng)常能遇到客戶反饋說(shuō)系統(tǒng)在掉電后重新上電，系統(tǒng)啟動(dòng)失敗的問(wèn)題，一開(kāi)始工程師以為是軟件的問(wèn)題，花費(fèi)了很大的時(shí)間和精力來(lái)找BUG，問(wèn)題仍然沒(méi)有很好的得到解決。后來(lái)查翻手冊(cè)發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)該系列的MCU對(duì)于上電時(shí)間是有一定要求的（其實(shí)幾乎所有品牌的MCU都有上下電時(shí)序要求）。

芯片輸入電源從200mV以下為起點(diǎn)上升到VDD的時(shí)間tr，手冊(cè)要求是最長(zhǎng)不能超過(guò)500ms。而電路中的大電容乃至超級(jí)電容，顯然會(huì)大大拉長(zhǎng)這個(gè)上電時(shí)間，對(duì)于沒(méi)有詳細(xì)選擇參數(shù)的電源設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)間甚至可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于500ms。這樣的話就不能很好地滿足芯片的上電時(shí)間要求，從而導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)，或者器件內(nèi)部上電時(shí)序混亂而引起器件閂鎖的問(wèn)題。

所以電源的上電緩慢對(duì)于MCU處理器來(lái)說(shuō)，有時(shí)也是一個(gè)“頭痛”問(wèn)題，那么如何有效的解決上電緩慢這個(gè)問(wèn)題呢？先別急，我們?cè)賮?lái)說(shuō)說(shuō)系統(tǒng)下電緩慢帶來(lái)的問(wèn)題。而且下電緩慢引起的問(wèn)題，比上電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題更普遍。

2. 下電緩慢引起的啟動(dòng)失敗

其實(shí)上面提到的上電圖中，還有一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，那就是圖中的twait。我們可以從圖中看到twait的最小數(shù)值為12μs。這個(gè)參數(shù)的含義就是說(shuō)，在上電之前，芯片的輸入電源需保持在200mV以下至少12μs的時(shí)間。這個(gè)參數(shù)就要求我們的電路在掉電后，如果需要對(duì)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(shí)間是在200mV以下。換個(gè)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(yùn)行。

由于電路中存在大電容，系統(tǒng)負(fù)載又小，導(dǎo)致電路下電緩慢，當(dāng)我們?cè)俅紊想姇r(shí)，芯片電源電壓此時(shí)可能還沒(méi)有降到200mV 以下。

由于電路中存在較大的電容，在系統(tǒng)掉電后，系統(tǒng)負(fù)載不能很快的泄放能量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)MCU等數(shù)字器件掉電緩慢的情況。此時(shí)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(nèi)部就沒(méi)有及時(shí)“歸零”。對(duì)MCU等數(shù)字器件來(lái)說(shuō)，這是一種不確定的狀態(tài)，此時(shí)再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新上電的操作，就容易造成MCU邏輯混亂，從而出現(xiàn)器件閂鎖，系統(tǒng)不能啟動(dòng)的情況。

掉電緩慢也會(huì)導(dǎo)致MCU等數(shù)字器件內(nèi)部掉電時(shí)序的混亂，特別是對(duì)于需要多路電源的MCU處理器，它們對(duì)于上電時(shí)序和掉電時(shí)序有更高的要求，內(nèi)部時(shí)序的混亂會(huì)引起器件閂鎖，系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)。這也是為什么很多產(chǎn)品重啟時(shí)，系統(tǒng)往往無(wú)法啟動(dòng)。

因此我們可以看出，系統(tǒng)上電或下電緩慢都有可能會(huì)造成MCU無(wú)法啟動(dòng)或者啟動(dòng)異常的情況，那么如何對(duì)緩慢的上電放電過(guò)程進(jìn)行干預(yù)，提升上電斜率，縮短掉電時(shí)間呢？

二、解決方案推薦

當(dāng)遇到系統(tǒng)啟動(dòng)失敗的問(wèn)題時(shí)，請(qǐng)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(dāng)遇到該情況時(shí)，可以選擇在電路中搭配使用廣州周立功單片機(jī)科技有限公司研發(fā)的小體積、低內(nèi)阻的電源調(diào)理模塊：QOD-ADJ。

該模塊可以保證在系統(tǒng)上電時(shí)，當(dāng)電壓達(dá)到額定電壓的約70%-75%左右才開(kāi)啟輸出，此后輸出跟隨輸入，相當(dāng)于給系統(tǒng)一個(gè)極快上電的電源。下電時(shí)，該模塊可以對(duì)電容殘存電壓自動(dòng)放電，可以在極短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)100mV以下，從而解決短時(shí)間內(nèi)再次上電時(shí)系統(tǒng)處于鎖死狀態(tài)的問(wèn)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。

QOD-ADJ具有以下功能：

在系統(tǒng)電源開(kāi)啟時(shí)的快速上電，提升上電斜率；

電源關(guān)斷時(shí)使容性負(fù)載快速放電到近0V的狀態(tài)；

可外部控制的單通道負(fù)載開(kāi)關(guān)；

使用簡(jiǎn)單方便，串入需要控制的電路中即可。

三、產(chǎn)品使用示例

當(dāng)VIN=5V，Cin=2.5F（超級(jí)電容），CL=100μF，RL=10Ω時(shí)的上電曲線和掉電曲線輸入端2.5F超級(jí)電容及負(fù)載10Ω下電曲線所示。

1. 顯著縮短上電時(shí)間

因?yàn)橛谐?jí)電容的存在，VIN的上電曲線（藍(lán)色曲線）爬升緩慢，而經(jīng)過(guò)模塊之后（Vout紅色曲線）顯著縮短了上電時(shí)間，使后級(jí)電路能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一種確定的狀態(tài)。

2. 顯著加快掉電速度

在系統(tǒng)掉電時(shí)，由于有超級(jí)電容的存在，模塊前端（藍(lán)色曲線）掉電速度，異常緩慢，經(jīng)過(guò)模塊之后（紅色曲線）能顯著加快放電速度，使得后級(jí)電路在極短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)一種確定的狀態(tài)。

系統(tǒng)中的器件對(duì)于電源的上下電有嚴(yán)格的要求，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)當(dāng)中，要關(guān)注核心器件的上下電要求，包括上下電的時(shí)序，斜率等，不合理的設(shè)計(jì)往往會(huì)引起系統(tǒng)上電無(wú)法啟動(dòng)等異常情況。