復位對數(shù)字電路的重要性

我們在數(shù)字電路設計時，為了使系統(tǒng)在上電后處于 已知的確定狀態(tài) ，常使用復位電路來實現(xiàn)這一目的。復位是數(shù)字邏輯電路所必須的，無論是最簡單的數(shù)字時序邏輯門電路，還是復雜的 MCU、ARM、DSP、FPGA 系統(tǒng)，凡是有時序要求的數(shù)字邏輯電路系統(tǒng)，都需要復位信號。復位狀態(tài)通常是一個電路系統(tǒng)的初始條件，復位信號的有效使電路的狀態(tài)進入設計者預先設定的狀態(tài)，通常在系統(tǒng)初始化時或者系統(tǒng)死機硬重啟時有效。通常復位信號還與系統(tǒng)的啟動時序密切相關，它與系統(tǒng)各電源域的時序必須滿足一定的先后關系，系統(tǒng)才能正常運行?？梢姡瑥臀恍盘栐谙到y(tǒng)中具有十分重要的地位。

最簡單的復位電路分析

在一些時序和可靠性要求不高的場合，RC 電路是最為常用的復位電路形式。復位信號一般有高有效和低有效兩種形式，對應的電路形式如下圖所示，下圖的左側(cè)為低有效形式，而右側(cè)為高有效形式。

RC復位電路

下面對左側(cè)低有效電路做簡要分析。根據(jù)電路的零狀態(tài)（電路中所有的源為 0 的狀態(tài)）響應特點，當電路上電時，電源電壓 VCC 立即達到穩(wěn)定值，電容 C1 兩端電壓為 0V；隨后電路通過 R1 對 C1 充電，隨著時間推移，C1 電壓逐漸上升。當 VRST 的電壓達到芯片的 時，芯片復位完成，進入正常工作狀態(tài)。

我們把 RC 叫作 RC 電路的時間常數(shù)，若令 **\\tau=RC**，根據(jù)電路理論，可以推導出 RC 電路中電容兩端電壓(VRST)隨充電時間 t 的變化關系。其公式如下：

可見，隨著時間的推移，VRST 將逐漸接近 VCC，但理論上永遠不能達到 VCC。一般當 時電壓可上升到 0.63VCC； 時，VRST=0.86VCC； 時，VRST=0.95*VCC； 時，VRST=0.98*VCC； 時，VRST=0.99*VCC；工程上一般認為到了 就算充電完成了。

下圖是串聯(lián) RC 電路的仿真結(jié)果驗證，其中，R=10Kohm，C=10uF，也即 ，可見，其結(jié)果與理論分析完全吻合。

RC充電時間常數(shù)

簡單復位電路的改進

上述復位電路雖然簡單，但也存在一定的缺陷，如前所述，其只能用于時序和可靠性要求不高的場合。當電路掉電時，電容 C 兩端電壓接近 VCC，而電源電壓則從 VCC 開始跌落直到 0V。由于芯片的 RST 引腳通常為高阻態(tài)，電容 C1 只能通過電阻 R1 放電，放電時電容兩端電壓與時間滿足關系：

對于上述電路，其放電波形及對應的時刻如下如：

RC放電時間常數(shù)

可見，放電過程比較緩慢， 時，VRST=0.37*VCC。如果電路在短時間內(nèi)發(fā)生掉電，并立即上電，那么可能存在由于電容兩端的電量沒有放盡，導致此時雖然電源已經(jīng)重新上電，但由于復位電平不夠低，復位并未可靠起效，引起系統(tǒng)狀態(tài)紊亂。

如何通過電路設計改進該問題呢？其實改動也很簡單，由于此時限制放電速度的是充電電阻，因此，只需要在電阻兩端反向并聯(lián)一只二極管，此二極管在電路上電時反偏，不影響電容充電。而當電源掉電時，二極管正偏導通，將短接電阻兩端，形成電容的快速放電通路。電路如下所示：

改進的RC復位電路

下面我通過搭建實際電路，測試了沒有放電二極管和增加放電二極管時電路充放電狀態(tài)的對比，分別如下圖所示：

RC復位上電對比

RC復位掉電對比

圖中黃色曲線為 VCC 電壓，而紫色曲線為 VRST 電壓，左邊為未加二極管的曲線，右邊為增加后的情況，可見，該二極管對充電過程沒有影響，只對掉電時的 VRST 下降速率有幫助。不過，這里也發(fā)現(xiàn)當 VRST 下降到一定值后仍然會比電源下降略慢，這是由于我這里使用的是高速開關二極管 1N4148，該二極管具有較高的正向?qū)▔航担∕ax.=1V），因此，會在導通時致使 VRST 與電源間存在壓差，這里最好使用 肖特基二極管 ，能夠保證足夠低的正向壓降，更有利于 VRST 的快速掉電。

使用專用復位芯片

在一些要求比較高的場合，由于 RC 電路的時間常數(shù)受器件的離散型和溫度影響較大，復位時間波動較大，RC 電路也不能實現(xiàn)電源軌的監(jiān)控，因此簡單的 RC 電路并不能滿足電路性能的要求。這時候就需要使用專用的復位芯片來達到更可靠的復位。

一般專用的復位芯片在功能方面都比較全面。比如支持手動復位，支持單/多電源域監(jiān)控（電源看門狗），支持開漏/推挽輸出，支持復位釋放時間可調(diào)（如 LM8365）等。

電壓監(jiān)控器是監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)一個或多個電源軌的器件。電壓監(jiān)控器可以檢測欠壓事件（電壓低于某個閾值）或過壓事件（電壓超過某個閾值）。根據(jù)器件狀態(tài)的不同，當受監(jiān)控的電壓軌電壓低于或高于預設的閾值電壓時，電壓監(jiān)控器會將信號置為使能、禁用或復位其他器件。

部分電壓監(jiān)控器可以同時監(jiān)控欠壓和過壓情況，稱為 窗口檢測器 。電壓監(jiān)控器旨在確保系統(tǒng)正常上電，防止處理器發(fā)生欠壓，同時實時監(jiān)控系統(tǒng)，避免因電壓軌超出規(guī)范而產(chǎn)生性能問題或系統(tǒng)故障。其工作原理通過下圖表征：

電壓監(jiān)控器原理

帶有電壓監(jiān)控器功能的復位 IC，能夠保證復位的釋放發(fā)生在電源供應正常之后，從而確保可靠復位。同時，若電源出現(xiàn)過壓或跌落故障，芯片還能及時保護處理器，并在電源恢復后執(zhí)行可靠復位重啟。

為了適應不同的應用，復位 IC 通常還支持可選的高電平有效或低電平有效，推挽或開漏輸出。推挽和開漏指的是輸出驅(qū)動的類型，推挽輸出在輸出端使用兩個晶體管。當頂部晶體管導通時，輸出設置為高電平；底部晶體管導通時，輸出設置為低電平。開漏輸出僅使用一個晶體管，通過其將輸出設置為低電平，同時另外使用一個上拉電阻代替頂部晶體管設置高電平輸出。下圖展示了開漏和推挽兩種輸出類型：

開漏和推挽輸出

推挽式輸出的優(yōu)點是速度快并且功耗低。然而，開漏輸出可以將多個監(jiān)控器件的輸出連接在一起，形成或/與邏輯輸出配置，方便多電源軌的監(jiān)控控制。

下圖展示了來自 TI 的 LM3710 的典型應用電路和對應的時序圖，除標準復位功能外，LM3710 還支持手動復位（MR）、電源故障輸入（PFI）、看門狗輸入（WDI）、看門狗定時器和低電壓線路輸出，支持為眾多應用提供所需的靈活性。

上圖中所示的應用電路使用 R1 和 R2 作為與 VIN2 相連的分壓器，以便設置電源故障的復位閾值，實現(xiàn)對第二電源的監(jiān)控。如果第二電源的電壓降至電源故障復位閾值以下，PFI 引腳將變?yōu)榈碗娖?，PFO 引腳也隨之降至低電平。

此引腳與 MR 引腳相連，因此將觸發(fā)復位。如果在 WDI 引腳上的看門狗窗口內(nèi)未檢測到任何“喂狗”活動，也會發(fā)生復位。WDI 引腳可以與微處理器相連，通過使微處理器發(fā)送間歇性脈沖，檢測其是否仍然正常工作。

當 VCC 處的電源電壓降至比復位電壓閾值低 2%左右時，低電壓線路輸出(LLO)引腳將變?yōu)榈碗娖健LO 引腳可以連接微處理器進行檢測。當此引腳進入激活狀態(tài)后，發(fā)送到微處理器的信號可能觸發(fā)其他操作，例如向另一器件發(fā)送信號，或以 LED 閃爍等形式向用戶報警。

時序圖所示為監(jiān)控第二電壓輸入(VIN2)的示例。當與 PFI 引腳相連的 VIN2 變?yōu)榈碗娖胶?，PFO 引腳也將變?yōu)榈碗娖?，進而導致 MR 引腳降為低電平，隨即觸發(fā)復位。使用電源故障和手動復位功能的方法多種多樣，用戶可以根據(jù)應用需求自行選擇。

總結(jié)

復位電路在數(shù)字系統(tǒng)中必不可少，看似簡單的復位電路，其實在設計中也有許多關鍵點需要考慮，有時候更是決定了系統(tǒng)的可靠性與功能。如今很多芯片都內(nèi)置了基本的復位電路，如 POR（上電復位），并支持一定的可配置。復位電路作為系統(tǒng)的敏感信號，在原理圖設計和 Layout 時都需要格外小心，做好防護，防止受到如 ESD 之類的干擾。

針對最簡單的 RC 復位電路，本文給出了一種通過增加肖特基二極管而實現(xiàn)的高性價比的優(yōu)化方案，并對電路性能做了實驗分析。如果你的系統(tǒng)需要更高的可靠性，那么，選用專用的復位和監(jiān)控 IC 將是不錯的選擇，這些芯片通常具備豐富的功能和足夠的靈活性，能夠為系統(tǒng)提供更完整的可靠性保障，當然，這些是需要付出成本的。