?電源重新上電引起的MCU啟動失敗的原因分析

對于主電源掉電后需要繼續(xù)工作一段時間來用于數(shù)據(jù)保存或者發(fā)出報警的產(chǎn)品，我們往往都能夠看見產(chǎn)品PCB板上有大電容甚至是超級電容器的身影。大容量的電容雖然能延時系統(tǒng)掉電，使得系統(tǒng)在電源意外關(guān)閉時MCU能繼續(xù)完成相應操作，而如果此時重新上電，卻經(jīng)常遇到系統(tǒng)無法啟動的問題。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、上電失敗問題分析

1. 上電緩慢引起的啟動失敗

對于需要進行掉電保存或者掉電報警功能的產(chǎn)品，利用大容量電容緩慢放電的特性來實現(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，依靠電容的儲能來維持系統(tǒng)需要的重要數(shù)據(jù)保存及安全關(guān)閉的時間。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、電源干擾及負載變比引起供電電壓的波動，在電源輸出端也需要并接一個適當?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)計要求，但是由于電容的存在，系統(tǒng)的上電時間也會相應的延長，下電時由于電容放電緩慢，下電時間也會更長。而上下電時間的延長，對于MCU來說，往往會帶來意外的致命缺點。

比如某系列的MCU，就經(jīng)常能遇到客戶反饋說系統(tǒng)在掉電后重新上電，系統(tǒng)啟動失敗的問題，一開始工程師以為是軟件的問題，花費了很大的時間和精力來找BUG，問題仍然沒有很好的得到解決。后來查翻手冊發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)該系列的MCU對于上電時間是有一定要求的（其實幾乎所有品牌的MCU都有上下電時序要求）。

芯片輸入電源從200mV以下為起點上升到VDD的時間tr，手冊要求是最長不能超過500ms。而電路中的大電容乃至超級電容，顯然會大大拉長這個上電時間，對于沒有詳細選擇參數(shù)的電源設(shè)計來說，這個時間甚至可能會遠遠大于500ms。這樣的話就不能很好地滿足芯片的上電時間要求，從而導致系統(tǒng)無法啟動，或者器件內(nèi)部上電時序混亂而引起器件閂鎖的問題。

所以電源的上電緩慢對于MCU處理器來說，有時也是一個“頭痛”問題，那么如何有效的解決上電緩慢這個問題呢？先別急，我們再來說說系統(tǒng)下電緩慢帶來的問題。而且下電緩慢引起的問題，比上電時間過長的問題更普遍。

2. 下電緩慢引起的啟動失敗

其實上面提到的上電圖中，還有一個至關(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。這個參數(shù)的含義就是說，在上電之前，芯片的輸入電源需保持在200mV以下至少12μs的時間。這個參數(shù)就要求我們的電路在掉電后，如果需要對系統(tǒng)重新上電的話，必須讓芯片的輸入電源電壓至少有12μs的時間是在200mV以下。換個角度表述就是：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)才能可靠運行。

由于電路中存在大電容，系統(tǒng)負載又小，導致電路下電緩慢，當我們再次上電時，芯片電源電壓此時可能還沒有降到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)負載不能很快的泄放能量時，就會出現(xiàn)MCU等數(shù)字器件掉電緩慢的情況。此時重新上電的話，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)部就沒有及時“歸零”。對MCU等數(shù)字器件來說，這是一種不確定的狀態(tài)，此時再對系統(tǒng)進行重新上電的操作，就容易造成MCU邏輯混亂，從而出現(xiàn)器件閂鎖，系統(tǒng)不能啟動的情況。

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

因此我們可以看出，系統(tǒng)上電或下電緩慢都有可能會造成MCU無法啟動或者啟動異常的情況，那么如何對緩慢的上電放電過程進行干預，提升上電斜率，縮短掉電時間呢？

二、解決方案推薦

當遇到系統(tǒng)啟動失敗的問題時，請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。當遇到該情況時，可以選擇在電路中搭配使用廣州周立功單片機科技有限公司研發(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，當電壓達到額定電壓的約70%-75%左右才開啟輸出，此后輸出跟隨輸入，相當于給系統(tǒng)一個極快上電的電源。下電時，該模塊可以對電容殘存電壓自動放電，可以在極短的時間內(nèi)到達100mV以下，從而解決短時間內(nèi)再次上電時系統(tǒng)處于鎖死狀態(tài)的問題。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)電源開啟時的快速上電，提升上電斜率；

電源關(guān)斷時使容性負載快速放電到近0V的狀態(tài)；

可外部控制的單通道負載開關(guān)；

使用簡單方便，串入需要控制的電路中即可。

三、產(chǎn)品使用示例

當VIN=5V，Cin=2.5F（超級電容），CL=100μF，RL=10Ω時的上電曲線和掉電曲線輸入端2.5F超級電容及負載10Ω下電曲線所示。

1. 顯著縮短上電時間

因為有超級電容的存在，VIN的上電曲線（藍色曲線）爬升緩慢，而經(jīng)過模塊之后（Vout紅色曲線）顯著縮短了上電時間，使后級電路能在短時間內(nèi)達到一種確定的狀態(tài)。

2. 顯著加快掉電速度

在系統(tǒng)掉電時，由于有超級電容的存在，模塊前端（藍色曲線）掉電速度，異常緩慢，經(jīng)過模塊之后（紅色曲線）能顯著加快放電速度，使得后級電路在極短的時間內(nèi)到達一種確定的狀態(tài)。

系統(tǒng)中的器件對于電源的上下電有嚴格的要求，在產(chǎn)品的設(shè)計當中，要關(guān)注核心器件的上下電要求，包括上下電的時序，斜率等，不合理的設(shè)計往往會引起系統(tǒng)上電無法啟動等異常情況。