Для безопасности компактных гаджетов: cупервизоры Maxim с ультрамалым потреблением

21 апреля

универсальное применениеMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемыМикроконтроллерСупервизордетектор напряжения

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Супервизоры и сторожевые таймеры играют важную роль в обеспечении безопасной работы современных цифровых устройств. В настоящее время их в обязательном порядке встраивают в состав каждого нового семейства микроконтроллеров. Тем не менее, в ряде случаев использование внешнего супервизора дает преимущества. Например, компания Maxim Integrated предлагает супервизоры с ультрамалым потреблением, что делает их идеальным выбором для устройств с батарейным питанием.

Современные цифровые и аналоговые микросхемы отличаются очень высокой надежностью. Однако это верно только при выполнении ряда условий, в частности, при работе на предписанном участке рабочих температур и поддержании определенного диапазона питающих напряжений. К сожалению, напряжение на шине питания редко бывает идеальным. Например, при включении источника питания напряжение на его выходе может нарастать достаточно медленно. Чтобы предотвратить нестабильную работу микросхем, разработчикам приходится использовать различные защитные схемы: супервизоры, детекторы напряжения и сторожевые таймеры.

В статье рассматривается принцип действия супервизоров и сторожевых таймеров, а также анализируются основные особенности и области применения малопотребляющих микросхем MAX16056-MAX16059 и MAX16072/MAX16073/MAX16074 производства компании Maxim Integrated.

Низкое напряжение – исключительная ситуация или норма?

В документации на цифровую или аналоговую микросхему производитель в обязательном порядке указывает диапазон допустимых напряжений питания, например, 2,95…5,5 В или 1,8…3,6 В. Когда напряжение питания находится в разрешенном диапазоне, микросхема работает в штатном режиме. Что произойдет, если выйти за границы этого диапазона?

Не секрет, что при превышении максимально допустимого напряжения питания микросхема может выгореть. Однако если напряжение будет меньше нижней границы разрешенного диапазона, поведение микросхемы будет непредсказуемым и может сопровождаться повышенным потреблением, произвольным срабатыванием логических вентилей, неопределенным состоянием выходов, неожиданными перезагрузками микроконтроллера и прочим. И этот лишь некоторые примеры.

С первого взгляда кажется, что работа при пониженном напряжении встречается редко и являются чем-то исключительным. Однако это не так. Приведем лишь самые очевидные примеры.

Работа при пониженном напряжении при включении источника питания (ИП). При включении ИП напряжение на его выходе увеличивается не скачком, а нарастает с определенной скоростью. Объясняется это различными причинами, например, наличием собственного выходного емкостного фильтра, ограниченным быстродействием схемы управления регулятора напряжения, наличием входных и развязывающих конденсаторов в составе устройства. В результате на вход микросхем некоторое время подается пониженное напряжение. Для борьбы с этой проблемой часто используют детекторы напряжения (Voltage Detector или Under Voltage Detector, UVD). Детекторы напряжения запрещают работу микросхем, если напряжение питания оказывается ниже разрешенного граничного значения (Threshold Voltage).

Импульсные просадки напряжения при запуске. Так как у многих современных микросхем (аналоговых и цифровых) в составе присутствует детектор напряжения, то включение этих микросхем происходит только при определенном его уровне. Поскольку граничные напряжения у разных микросхем различны, в большинстве случаев они включаются не одновременно. С одной стороны, это хорошо, так как при одновременном включении они могут перегрузить источник питания. С другой, это приводит к возникновению локальных импульсных просадок напряжения питания, что является менее предсказуемым, а значит, более опасным явлением.

Рассмотрим пример. Пусть при включении ИП напряжение питания на входе микроконтроллера достигло разрешенного значения (например, 1,8 В), и микроконтроллер начал загружаться. Спустя несколько мкс, когда напряжение еще немного возросло, сработал детектор напряжения другого мощного потребителя, например, повышающего регулятора напряжения, который начал заряжать собственные выходные емкости. Из-за резкого увеличения нагрузки напряжение ИП на некоторое время проседает и может оказаться ниже 1,8 В. Таким образом, микроконтроллер вынуждено работает вне рамок разрешенного диапазона, и его поведение становится непредсказуемым.

Импульсные просадки напряжения при возникновении мощных помех. Просадки напряжения могут возникать не только при запуске, но и при появлении мощных помех, например, при работе двигателей или мощных радиопередатчиков.

Работа при пониженном напряжении во время разряда батареи. Очень многие современные устройства используют батарейное питание. Одним из недостатков батарей является плавное снижение выходного напряжения в процессе разряда. Возможно возникновение такой ситуации, когда напряжение батареи окажется ниже, чем допустимое напряжение питания микросхемы. Если в схеме отсутствует повышающий преобразователь, то правильная работа микросхемы окажется невозможной.

Из сказанного можно сделать два вывода. В целом, работа при пониженном напряжении является скорее нормой, чем исключительной ситуацией, и для цифровых и аналоговых микросхем это оказывается непредсказуемым. Чтобы защититься от аварийных ситуаций, разработчик должен гарантировать предсказуемое поведение устройства даже при просадках напряжения. Для этого используют специальные защитные схемы: детекторы напряжения, супервизоры и сторожевые таймеры.

Детекторы напряжения, супервизоры и сторожевые таймеры

Детектор напряжения – базовый элемент защиты от пониженных напряжений. В той или иной форме он присутствует в составе многих современных аналоговых и цифровых микросхем, начиная от микроконтроллеров и заканчивая линейными стабилизаторами. Называться эта защитная схема может по-разному, например, Undervoltage Lockout (UVLO), Programmable Voltage Detector (PVD)» и так далее.

Принцип работы детектора напряжения очень прост. Если напряжение на его входе оказывается ниже разрешенного порогового значения (Threshold Voltage), то на выходе детектора формируется запрещающий сигнал, например, сигнал сброса RESET, который блокирует работу микросхемы.

Недостатком традиционных детекторов напряжения является отсутствие задержки между превышением порогового напряжения и формированием выходного разрешающего сигнала. Это не очень хорошо при работе в зашумленной среде, так как из-за мощных помех на выходе детектора могут появляться глитчи – кратковременные сигналы. По этой причине в ответственных приложениях чаще используют супервизоры с дополнительным таймаутом по сбросу.

Супервизор – улучшенная версия детектора напряжения. Он также выполняет мониторинг напряжения питания. Однако после того как напряжение превысит разрешенное пороговое значение, супервизор формирует разрешающий сигнал на выходе не сразу, а только спустя некоторое время. Это гарантирует защиту от импульсных просадок при запуске.

На рисунке 1 представлена временная диаграмма работы супервизора на примере MAX16056. После того как напряжение питания (VCC) окажется больше, чем пороговое значение (VTH + VHYST), супервизор формирует задержку (tRP) и только после окончания задержки переводит свой выход (RESET) в высокое состояние, тем самым разрешая работу защищаемой микросхемы. Благодаря задержке включения напряжение питания гарантированно будет находиться в разрешенном диапазоне. Если же в ходе работы напряжение опустится ниже VTH, супервизор очень быстро (спустя время tRD) заблокирует работу защищаемой микросхемы, выставив сигнал низкого уровня на своем выходе. Стоит отметить, что задержка включения tRP может достигать сотен мс, тогда как время отключения tRD обычно лежит в микросекундном диапазоне.

Рис. 1. Временные диаграммы работы супервизора на примере MAX16056

Рис. 1. Временные диаграммы работы супервизора на примере MAX16056

Несмотря на более сложный алгоритм работы по сравнению с детекторами напряжения, супервизоры обычно имеют очень простую схему включения. На рисунке 2 показана схема подключения супервизора к микроконтроллеру на примере MAX16058. В данном случае выход супервизора соединен со входом RESET. При работе с другими микросхемами его выход может подключаться ко входам разрешения, например, ENABLE.

Рис. 2. Пример подключения супервизора к микроконтроллеру

Рис. 2. Пример подключения супервизора к микроконтроллеру

Сторожевой таймер (watchdog). В большинстве случаев супервизор позволяет защитить устройство от непредсказуемой работы при пониженных напряжениях. К сожалению, бывают ситуации, когда возможностей супервизора недостаточно для защиты от аппаратных сбоев и зависаний. Существуют различные причины возникновения таких сбоев: зацикливания микроконтроллера и переходы по неверному адресу из-за программных ошибок, аппаратные сбои из-за внешних помех по цепям питания или цепям ввода-вывода и так далее. В таких случаях микроконтроллер перестает выполнять рабочую программу и, что гораздо хуже, не может самостоятельно выйти из этого состояния. Необходим независимый внешний инструмент, который будет сбрасывать микроконтроллер при зависаниях. Таким инструментом становится сторожевой таймер.

Принцип работы сторожевого таймера на примере микросхем MAX16056/MAX16058 показан на рисунке 3. После запуска сторожевой таймер начинает отсчитывать временную задержку (tWD). При нормальной штатной работе микроконтроллер периодически сбрасывает сторожевой таймер. Если же микроконтроллер завис и не выполнил сброс, сторожевой таймер, в свою очередь, отсчитав интервал tWD, формирует выходной сигнал (RESET) низкого уровня, тем самым сбрасывая микроконтроллер. Далее, выждав интервал (tRP), сторожевой таймер переводит свой выход в высокое состояние, разрешая работу микроконтроллера.

Рис. 3. Временные диаграммы работы сторожевого таймера на примере MAX16056/MAX16058

Рис. 3. Временные диаграммы работы сторожевого таймера на примере MAX16056/MAX16058

Таким образом, супервизор и сторожевой таймер взаимно дополняют друг друга: супервизор защищает микроконтроллер от возникновения критических ситуаций, в то время как сторожевой таймер будет полезен, если такие ситуации все-таки произошли.

Очевидно, что использование детекторов напряжения, супервизоров и сторожевых таймеров является обязательным условием надежной работы устройств. По этой причине такие компоненты часто интегрируют в состав современных микроконтроллеров. Однако в ряде случае имеет смысл использовать не встроенные, а внешние микросхемы защиты.

Супервизор: встроенный или внешний?

Большинство современных микроконтроллеров имеет встроенный сторожевой таймер и схемы мониторинга напряжения: Power-on Reset (POR), Power-down Reset (PDR) или Brown-out Reset (BOR). Как правило, это малопотребляющие схемы, относящиеся к аналоговому домену, что позволяет считать их относительно независимыми элементами микроконтроллера. Таким образом, встроенные схемы защиты обеспечивают множество преимуществ: минимизацию числа внешних компонентов, уменьшение стоимости, упрощение монтажа, уменьшение площади, занимаемой на печатной плате. Однако в ряде случаев внешний супервизор и сторожевой таймер могут оказаться более предпочтительным вариантом. Рассмотрим основные преимущества, которые дают внешние защитные микросхемы.

Повышенная надежность. Несмотря на максимальную обособленность встроенных супервизоров и сторожевых таймеров, они все-таки имеют сильную связь с исходным микроконтроллером, хотя бы потому, что они реализованы на одном кристалле. Это значит, что такие явления как перегрев, внутренние помехи и локальные пробои, возникающие в микроконтроллере, могут повредить нормальной работе защитных схем. Очевидно, что внешние супервизоры свободны от таких недостатков.

Минимальное потребление. Если изучить документацию современных микроконтроллеров, можно убедиться, что потребление встроенных супервизоров и сторожевых таймеров является чрезвычайно малым. Однако, для их нормальной работы, как правило, требуется активный источник тактирования (в случае с таймером) и интерфейс с микроконтроллером (для настройки). Очевидно, что эти «накладные расходы» повышают суммарное потребление системы. У внешних супервизоров и сторожевых таймеров таких недостатков нет, поэтому их потребление оказывается минимально возможным.

Широкий диапазон питающих напряжений. С первого взгляда это преимущество может показаться малозначительным, но на самом деле в ряде случаев оно имеет большое значение. Дело в том, что чаще всего для сброса микроконтроллеров используется сигнал RESET с активным низким уровнем и внешней подтяжкой. Обычно для формирования низкого уровня используется схема с открытым стоком. Встроенные супервизоры способны поддерживать включенное состояние выходного транзистора только в ограниченном диапазоне напряжений питания. Другими словами, если уровень напряжения питания окажется слишком низким, то транзистор закроется, в результате чего вход RESET будет подключен к шине питания через подтягивающий резистор. Это не всегда допустимо. В то же время у внешних супервизоров диапазон гарантированного удержания низкого состояния на входе может составлять 1 В.

Таким образом, если требуется обеспечить минимальное потребление и высокую надежность, то именно внешние супервизоры станут оптимальным выбором. Рассмотрим в качестве примера таких малопотребляющих микросхем супервизоры MAX16056/57/58/59 и MAX16072/73/74 производства компании Maxim Integrated.

Малопотребляющие супервизоры MAX16072/MAX16073/MAX16074

MAX16072/73/74 – семейство сверхкомпактных и малопотребляющих супервизоров, позволяющих обеспечить надежную работу микросхем с диапазоном рабочих напряжений 1,8…3,6 В. Главным достоинством этой серии является сверхмалое типовое потребление – всего 700 нА. Причем во всем диапазоне рабочих напряжений 1,2…5,5 В потребление супервизоров не превышает 2 мкА.

Микросхемы выпускаются в сверхкомпактном четырехвыводном корпусе UCSP размером всего 1х1 мм. Несмотря на столь малые габариты, в составе этих супервизоров присутствует собственный ИОН, компаратор и резистивные делители, задающие пороговые напряжения и длительность задержек. В результате, типовая схема включения MAX16072/73/74 содержит минимум внешних компонентов (рисунок 4).

Рис. 4. Типовая схема включения сверхкомпактных и малопотребляющих супервизоров MAX16072/73/74

Рис. 4. Типовая схема включения сверхкомпактных и малопотребляющих супервизоров MAX16072/73/74

Между собой модели MAX16072/73/74 отличаются типами выхода (рисунок 5):

  • MAX16072 – супервизор со встроенной подтяжкой (push-pull) и активным низким уровнем выходного сигнала;
  • MAX16073 – супервизор со встроенной подтяжкой (push-pull) и активным высоким уровнем выходного сигнала;
  • MAX16074 – супервизор, имеющий выход с открытым стоком (open drain) и активный низкий уровнь выходного сигнала.

Рис. 5. Структура выхода супервизоров MAX16072/73/74

Рис. 5. Структура выхода супервизоров MAX16072/73/74

Кроме автоматического сброса при пониженных напряжениях эти супервизоры позволяют выполнять сброс от внешнего источника с помощью входа MR с активным низким уровнем (рисунок 6). Из диаграммы видно, что на этом входе реализована дополнительная защита от глитчей, то есть кратковременных ложных сигналов. Минимальная длительность сигнала MR для выполнения сброса должна превышать 100 нс (tegr), а минимальная длительность сигнала MR для деактивации сигнала сброса должна быть не менее 0,8 мкс.

Рис. 6. Временная диаграмма работы супервизора MAX16072

Рис. 6. Временная диаграмма работы супервизора MAX16072

При увеличении напряжения выше порогового значения (VTH + VHYST) супервизор формирует задержку (tRP), после окончания которой переводит выход (RESET) в высокое состояние. Длительность задержки и пороговое напряжение определяются встроенными резистивными делителями, которые, в свою очередь, зависят от модели супервизора. Пользователям доступны модели с пороговыми напряжениями 1,54…3,0 В (с шагом 100 мВ и погрешностью 2,5 %) и задержкой включения 80 мкс/13 мс/52 мс/210 мс.

Отдельно стоит отметить, что производитель гарантирует поддержание активного уровня сигнала сброса даже при напряжении питания всего 1 В.

Диапазон рабочих температур для данного семейства составляет -40…85°С. Таким образом, с учетом компактных габаритов и низкого потребления, супервизоры MAX16072/73/74 становятся отличным выбором для коммерческих приложений с батарейным питанием, таких как плееры, цифровые камеры, фотоаппараты, смартфоны и так далее.

Малопотребляющие супервизоры

MAX16056/57/58/59 – серия супервизоров со сверхнизким потреблением: всего 125 нА. Данные микросхемы способны работать с диапазоном питающих напряжений 1,1…5,5 В. Уровень порогового напряжения для этих супервизоров задается производителем в диапазоне 1,575…4,625 В (с шагом примерно 100 мВ). Кроме того, разработчик может самостоятельно задавать время сброса с помощью внешнего конденсатора, подключаемого ко входу SRT. Супервизоры MAX16056/58 имеют в своем составе встроенный сторожевой таймер, период работы которого также задается с помощью внешнего конденсатора, подключаемого ко входу SWT (рисунок 7).

Рис. 7. Типовая схема включения на примере MAX16056

Рис. 7. Типовая схема включения на примере MAX16056

Между собой супервизоры отличаются корпусами, типами выхода, наличием сторожевого таймера и значениями пороговых напряжений:

  • MAX16056 – супервизор со встроенной подтяжкой (push-pull) и сторожевым таймером, выполненный в восьмивыводном корпусе TDFN-EP;
  • MAX16057 – супервизор со встроенной подтяжкой (push-pull), без сторожевого таймера, выполненный в шестивыводном корпусе TDFN-EP;
  • MAX16058 – супервизор с выходом с открытым стоком (open drain) и сторожевым таймером, выполненный в восьмивыводном корпусе TDFN-EP;
  • MAX16059 – супервизор с выходом с открытым стоком (open drain), без сторожевого таймера, выполненный в шестивыводном корпусе TDFN-EP;

Пороговое напряжение этих супервизоров программируется при производстве в диапазоне 1,575…4,625 В (с шагом примерно 100 мВ). Пороговое напряжение отображается в наименовании модели, например, суффикс «17» в названии MAX16056ATA17+ означает пороговое напряжение 1,665 В (типовое значение). Погрешность порогового значения составляет ±2,5% во всем диапазоне температур -40…125°С.

Таймаут по сбросу задается с помощью внешнего конденсатора, подключаемого ко входу SRT (формула 1):

$$t_{RP}=5.15\cdot 10^6\times C_{SRT},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где CSRT выражено в Фарадах.

В качестве времязадающего конденсатора рекомендуется использовать керамический конденсатор с низким током утечки и минимальным значением TKC. Обычно для этих целей будет достаточно конденсаторов X7R.

Супервизоры MAX16056/58 имеют в своем составе встроенный супервизор, принцип работы которого пояснялся ранее на рисунке 3. Период срабатывания этого сторожевого таймера определяется емкостью конденсатора, подключаемого ко входу SWT. Формула 2 для расчета периода имеет вид:

$$t_{WD}=Floor\left[ \frac{C_{SWT}\times 5.15\cdot 10^6\times 6.4\:мс}{6.4\:мс}\right]+3.2\:мс,\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

где функция Floor[…] – округление вниз до ближайшего целого числа.

Стоит отметить, что в данной формуле коэффициент 5,15⋅106 не является константой, а зависит от формы напряжения и определяется соотношением VRAMP2/IRAMP2. Рассмотрим пример расчета отклонения периода срабатывания сторожевого таймера для конденсатора CSWT = 100 нФ. Для этого возьмем минимальные и максимальные значения VRAMP2 и IRAMP2, приведенные в документации:

$$t_{WD}=Floor\left[ \frac{100\cdot 10^{-9} \times 1.173\cdot 10^6\times 3.5\:мс}{282\cdot 10^{-9} \times 9.5\:мс}\right]+0.5\times 3.2\:мс=141.7\:мс;$$

$$t_{WD}=Floor\left[ \frac{100\cdot 10^{-9} \times 1.235\cdot 10^6\times 6.4\:мс}{240\cdot 10^{-9} \times 6.4\:мс}\right]+0.5\times 6.4\:мс=515.5\:мс;$$

$$t_{WD}=Floor\left[ \frac{100\cdot 10^{-9} \times 1.297\cdot 10^6\times 9.5\:мс}{197\cdot 10^{-9} \times 3.5\:мс}\right]+0.5\times 9.5\:мс=1790.8\:мс.$$

В документации на эти супервизоры представлены таблицы, в которых указаны готовые результаты расчетов задержек и соответствующие номиналы времязадающих конденсаторов.

Главным достоинством данной серии супервизоров является их сверхмалое типовое потребление. составляющее всего 125 нА. При этом потребление не превышает 500 нА во всем диапазоне рабочих температур. Для дополнительно уменьшения потребления вместо внешнего резистора можно использовать транзистор, как показано на рисунке 8.

Рис. 8. Для снижения потребления можно отказаться от традиционного подтягивающего резистора

Рис. 8. Для снижения потребления можно отказаться от традиционного подтягивающего резистора

Минимальные габариты и сверхмалое потребление делают супервизоры MAX16056/57/58/59 идеальным выбором для сверхкомпактных устройств с батарейным питанием, таких, например, как слуховые аппараты (рисунок 9). Эти микросхемы также будут востребованы в приложениях с повышенными требованиями к уровню безопасности, например, в промышленности, энергетике и медицинской отрасли.

Рис. 9. Пример целевого приложения для супервизоров MAX16056–MAX16059

Рис. 9. Пример целевого приложения для супервизоров MAX16056–MAX16059

Заключение

Супервизоры и сторожевые таймеры являются неотъемлемыми элементами современных электронных приборов. Они позволяют гарантировать предсказуемую работу устройств даже при пониженных напряжениях и при возникновении зависаний микроконтроллеров.

Во многих случаях для защиты микроконтроллеров будет достаточно встроенных супервизоров и сторожевых таймеров, однако при необходимости обеспечить максимальную надежность и минимальное потребление лучшим выбором станут внешние защитные микросхемы. Примером таких сверхмалопотребляющих супервизоров являются MAX16056/57/58/59 и MAX16072/73/74 производства компании Maxim Integrated.

Литература

  1. CPU supervisors: frequently asked questions (FAQS)
  2. John DiCristina. Introduction to hearing AIDS and important design considerations
•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX16056ATA17+T (MAX)
MAX16056ATA31+T (MAX)
MAX16056ATA29+T (MAX)
MAX16057ATT17+T (MAX)
MAX16057ATT46+T (MAX)
MAX16057ATT31+T (MAX)
MAX16058ATA26+T (MAX)
MAX16058ATA16+T (MAX)
MAX16058ATA31+T (MAX)
MAX16059ATT26+ (MAX)
MAX16059ATT16+T (MAX)
MAX16059ATT31+T (MAX)
MAX16072RS17D2+T (MAX)
MAX16072RS29D2+T (MAX)
MAX16072RS16D0+T (MAX)
MAX16073RS22D3+T (MAX)
MAX16073RS31D2+T (MAX)
MAX16074RS17D2+T (MAX)
MAX16074RS18D2+T (MAX)
MAX16074RS15D3+T (MAX)