微控制器中的掉电复位是什么？如何防止误断电

Brown Out Reset 是提高微控制器启动后可靠性的重要功能。通常用于解决电源问题，本文展示了掉电复位如何防止另一个问题。

掉电复位回顾

微控制器的“掉电”是电源电压部分和暂时降低到可靠操作所需的水平以下。许多微控制器具有保护电路，可检测电源电压何时低于此水平，并将设备置于复位状态，以确保电源恢复时正常启动。此操作称为“掉电复位”或 BOR。类似的功能称为低电压检测 (LVD)，它更复杂，增加了对多个电压电平的检测，并且可以在触发复位之前产生中断。

BOR 通常由控制寄存器中的一位启用。通常，当 BOR 导致复位时会设置一个状态位。这个状态位在复位后仍然存在（如果电源没有降到太低！）并允许程序检测问题并执行额外的恢复或记录事件。

如果 BOR 被禁用会发生什么？这是稳定下降的电源电压的描述。也许这是一个恶化的电源或一个正在放电的电池。

V1为正常电源电压。 V2 是微控制器可能无法可靠运行的点。我将 V3 显示为操作完全停止的点。 V2 和 V3 之间是一个“危险区域”，在那里可能会出现问题并且操作不可靠。当电源进出危险区域时，该设备可以正常工作多年，然后，砰！出现故障。 BOR 水平设置为高于 V2，并通过重置设备替换危险区域。重置不好，但（通常）比不确定要好。

接下来讲一个电源正常运行但使用BOR解决不同问题的情况。

为掉电复位寻找另一个用途（艰难的方法）

我设计了一个电路，该电路包含一个 PIC 微控制器和 18 个电压调节器，该电路控制 18 个光传感器的 +5V 电源。十二个模块控制阵列中的 204 个传感器。这些模块是位于夏威夷莫纳克亚 (Mauna Kea) 的大型天文望远镜中自适应光学系统的一部分。这是一个模块的内部。

图片由斯巴鲁望远镜提供

微控制器靠近电路板的中心，18 个线性稳压器安装在外壳的壁上。模块和传感器安装在水冷板上，以将热量从传感器阵列上方的光具座上带走。来自光传感器的脉冲进入模块，在那里它们被转换为差分 RS-485 信号并在图片中上部的连接器上输出。此外，还有进入模块的 RS-485 控制信号。所有 RS-485 信号都连接到大约 10 米外的机箱中的电路。重要的一点是模块中的所有电路都使用同一个 +5V 电源。

这是问题核心的微控制器和 RS-485 线路驱动器和接收器的特写。黑色的模块化插孔是一个异步串行接口，它增加了两个 RS-485 I/O 信号。

这些模块在工作台上经过了广泛的测试。没问题！他们在实验室进行了数月的系统测试。完美的！重大事件是望远镜的首次测试。失败！当电源关闭并重新打开时，大约一半的模块失去了通信。我插入调试器，发现微控制器正在运行并执行代码，但变量已损坏且串行接口无法正常工作。很奇怪。

首先，我想说的是，在 13,589 英尺（4,138 米）的高空、40°F (4°C) 的空气温度下半夜调试并不好玩。但是，让我们继续。这是显示问题的图表。

右侧是带有连接到微控制器和 +5V 电源的 RS-485 线路接收器的模块。左侧是电缆另一端的线路驱动器，它们始终通电。实际上，有两个方向的驱动器和接收器，但我正在简化。当模块电源 (VCC) 关闭时，远程线路驱动器和接收器仍处于开启状态 (VDD)。这些信号就像电源一样，通过模块接口设备直接到达 +5V 电源或通过微控制器引脚上的 ESD 保护电路。有足够的功率来防止微控制器完全断电，设备处于危险区域。

当模块电源打开时，微控制器没有以正常的上电复位序列启动。它开始运行，但有问题。为什么这在之前的测试中没有出现？还记得水冷板吗？望远镜中的冷却剂比实验室中的冷却剂要冷得多。我的理论是较低的温度足以暴露某些模块中的问题。

修复很容易。我在代码中加了一条语句启用BOR，问题就解决了。顺便说一句，与解决问题相比，我花了更长的时间来撰写报告并说服项目经理一切正常。

假断电

这是显示一般问题的图表。

当电源关闭时，电压不会一直下​​降。相反，其他电源将电源电压保持在危险区域。这种电压的一种描述是“假功率”。没有 BOR 来检测这种情况并导致复位。由于上电复位电路可能不会被触发，因此当再次打开电源时，设备可能不会执行正常的上电顺序。后续操作不确定，因为电源低于最小值，没有复位。

就我而言，微控制器是 Microchip PIC16F877-20I/L。这部分是工业版本，工作温度范围为 -40°C 至 +85°C。采用 16MHz 时钟时，电源范围为 +4.0V 至 +5.5V。模块内部的工作电压 (V1) 是稳定的 +5V。在望远镜上运行时，微控制器 (V2) 的假电源电压约为 +1.5V .我没有在实验室测量它，因为没有问题，我不知道要检查它。此外，我从来没有机会在实验室条件下检查它，因为系统从未从望远镜上下来。

还有另外两个相关规范。 “RAM 数据保持电压”(\[V_{DR}\]) 为 +1.5V，“典型 ”。确保内部上电复位的“VDD 起始电压”(\[V_{POR}\]) 为 0V，“典型 ”。将所有这些折叠在一起告诉我该设备完全处于危险区域内。由于电压远高于 \[V_{POR}\]，因此无法预期上电复位。此外，由于 False Power 处于 RAM 保持电压 (\[V_{DR}\])，因此没有期望 False Power 会使设备保持活动状态。谁知道设备的其余部分在做什么？

为什么打开 BOR 可以解决问题？掉电复位触发规范 (\[V_{BOR}\]) 的范围为 +3.7V 至 +4.35V，典型值为 +4.0V。假功率电平远低于 BOR 的触发电压。问题解决了。然而，为什么微控制器在实验室中工作并在多次电源循环下正常运行仍然是个谜。

结论

我在 Microchip 应用笔记 (AN607) 的末尾找到了对这种情况的描述，称其为“假断电”。我在其他任何地方都没有发现它的记录。

虚假力量可以来自以下来源：

• 外部信号（我的情况）
• 一个电路中有多个电源
• 电容器需要时间才能完全放电

似乎一个足够高的错误电源直接施加到 GPIO 引脚并通过 ESD 保护电路进入设备可能会导致问题，即使启用了 BOR .此外，对于非常低功耗的设计，完全不使用 BOR 是有理由的，因为与某些设备的深度睡眠模式相比，它会消耗大量功率。我的结论是 BOR 及其继任者 LVD 只会变得越来越复杂，而 False Power 则让设计师在他们设计的这个棘手部分中又多了一件需要考虑的事情。