一种高可靠性的嵌入式系统电源方案_陈继洪.pdf
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1、2 8 M i c r o c o n t r o l l e r s&E m b e d d e d S y s t e m s 2 0 2 3年第4期w w w.m e s n e t.c o m.c n 一种高可靠性的嵌入式系统电源方案陈继洪(国电南京自动化股份有限公司,南京 2 1 1 1 5 3)摘要:提出了一种高可靠性的嵌入式系统电源设计方案,出现外部供电欠压故障后触发嵌入式系统各电源轨下电,并在外部供电电压恢复正常后先产生时长可调的延时信号,保证各级电源轨完全下电后再按照设计的时序重新上电,确保每次上电时序正常。本文结合主流嵌入式处理器的供电时序要求,对所提设计方案从理论上进行分
2、析,并计算所需参数,最后通过仿真以及实验测试验证所提设计方案的可行性。关键词:嵌入式系统;上电时序;电源中图分类号:TM 9 1 文献标识码:AH i g h-r e l i a b i l i t y P o w e r S u p p l y S c h e m e f o r E m b e d d e d S y s t e mC h e n J i h o n g(G u o d i a n N a n j i n g A u t o m a t i o n C o m p a n y L i m i t e d,N a n j i n g 2 1 1 1 5 3,C h i n a
3、)A b s t r a c t:I n t h e p a p e r,a h i g h r e l i a b i l i t y e m b e d d e d s y s t e m p o w e r s u p p l y s c h e m e i s p r o p o s e d.A f t e r t h e e x t e r n a l p o w e r s u p p l y u n d e r v o l t-a g e f a u l t o c c u r s,e a c h p o w e r r a i l i n t h e b o a r d i s
4、 t r i g g e r e d t o b e p o w e r e d o f f,a n d a f t e r t h e e x t e r n a l p o w e r s u p p l y v o l t a g e r e t u r n s t o n o r-m a l,t h e t i m e-d e l a y s i g n a l w i t h a d j u s t a b l e l e n g t h i s g e n e r a t e d f i r s t,s o a s t o e n s u r e t h a t t h e p o
5、 w e r r a i l s a t a l l l e v e l s a r e c o m p l e t e l y p o w-e r e d o f f a n d t h e n p o w e r e d o n a g a i n a c c o r d i n g t o t h e d e s i g n e d t i m i n g,s o a s t o e n s u r e t h a t t h e t i m i n g o f e a c h p o w e r o n i s n o r m a l.C o m-b i n e d w i t h t
6、 h e p o w e r s u p p l y t i m i n g r e q u i r e m e n t s o f m a i n s t r e a m e m b e d d e d p r o c e s s o r s,t h e p r o p o s e d d e s i g n s c h e m e i s a n a l y z e d t h e o r e t i-c a l l y,a n d t h e r e q u i r e d p a r a m e t e r s a r e c a l c u l a t e d.F i n a l l
7、 y,t h e f e a s i b i l i t y o f t h e p r o p o s e d d e s i g n s c h e m e i s v e r i f i e d b y s i m u l a t i o n a n d e x p e r-i m e n t a l t e s t s.K e y w o r d s:e m b e d d e d s y s t e m;p o w e r s u p p l y;p o w e r s u p p l y0 引 言随着科学技术的不断发展,嵌入式系统作为智能化设备发展的重要基石,已经广泛应用于通信设备
8、、工业控制、医疗仪器和汽车电子等诸多领域,快速推动着这些领域向智能化、网络化、数字化方向发展1-4。在通信设备、医疗仪器和新能源等工业领域的深入应用,给嵌入式系统带来新发展机遇的同时也对嵌入式系统的可靠性提出了更高的要求。嵌入式系统需要面对外部供电频繁切换、电压波动大等更加复杂多变的供电环境以及温度、湿度变化大等运行环境,这对嵌入式系统的电源设计优化提出了更大的挑战。在上述运行温度严苛、设备外部供电质量恶劣的情况下,嵌入式系统更加容易出现供电电压跌落现象,同时高集成度嵌入式系统中的C P U、D S P以及F P G A等核心器件对于上电时序非常敏感,一旦上电时序不满足,极有可能会发生芯片挂死
9、、无法自恢复等故障。针对以上问题,相关领域学者进行了一系列的研究工作5-7,参考文献8 分析了X i l i n x公司的Z y n q 7 0 2 0的上下电时序,设计了基于S TM 3 2 F 1 0 3的电源时序控制电路;参考文献9 对X i l i n x公司F P G A上电时序进行了分析,并针对上电过程中可能出现的I/O状态冲突提出了增加外部上下拉电阻、设置外围电路全局复位信号、配置P OWE R G OO D信号等方案;参考文献1 0 介绍了一种多级电源上电时序控制电路,可以调整各级电源的上电以及实现欠压保护功能。但是以上参考文献提出的几种方案均无法有效解决供电电压快速波动引起的
10、部分电源在没有完全下电情况下再次上电时出现的时序不满足问题。针对这一场景,本文提出了一种低成本、高可靠性延时可调的嵌入式系统电源设计方案,经过理论分析、仿真及实验验证,可以有效解决该场景上电时序异常问题。1 嵌入式处理器嵌入 式 系 统 是 各 类 工 业 控 制 设 备 的 核 心,其 通 过C P U、MC U、F P G A等嵌入式处理器实现所需的复杂算 敬请登录网站在线投稿(t o u g a o.m e s n e t.c o m.c n)2 0 2 3年第4期 2 9 法,并根据算法处理结果通过外设完成控制指令输出,实现智能控制。1.1 常用硬件平台目前,业界各类工业控制设备使用的
11、主流嵌入式硬件平台1 1-1 5主要有以下几种:D S P+A RM架构:A RM系列处理器以其强大的嵌入式系统功能以及丰富的外设接口,成为多数设计者的首选。该架构中,A RM主要完成以太网通信功能、数据采集、R AM数据交换、可视化人机交互应用程序等,D S P凭借其出色的数据计算处理能力完成对R AM中数据的快速处理分析、逻辑判断任务。MP U/MC U+F P G A架构:近年来,为了适应不断发展的智能电网、数字变电站新需求,控制方案愈发复杂化,D S P及微处理器已不能完全满足新算法对处理速度的要求。因此,越来越多的设计人员选择集成大量I P核、高速C P U、存储器以及通信接口的F
12、P G A。该架构中,F P G A主要完成数字开关量采集、数据处理、算法实现、逻辑判断以及通信功能;M P U/M C U实现装置管理以及部分通信功能。1.2 电源时序要求根据1.1节对主流硬件架构的分析,可以发现高集成度芯片(D S P/F P G A/MP U/MC U)的应用越来越广泛,而这类芯片在简化硬件架构设计的前提下也对外围供电电源的时序控制提出了新的要求。常用的几类芯片及其上电时序要求如表1所列,通过对比可以看出,这几类芯片对于上电时序都有一定的要求,且部分芯片手册中会注明上电时序不满足可能会引起工作异常、挂死等未知故障。表1 几款典型芯片上电时序要求对比型号上电时序要求TM
13、S 3 2 0 C 6 7 4 x系列内核电源 I/O电源外设电源X i l i n x X C 7 A 1 0 0 T内核电源R AM电源/辅助电源 I/O电源P o w e r P C MP C 8 3 x x内核电源 I/O电源A RM处理器R T C电源内核电源 I/O电源外设电源2 嵌入式系统电源方案嵌入式系统电源方案需要考虑嵌入式处理器对各路电源轨的电压精度、负载电流大小、上电时序以及某些特殊嵌入式处理器的下电时序要求。其中,嵌入式处理器的上电时序设计最复杂,需要同时考虑到正常上电启动和非正常下电后各种可能的上电启动场景,要求嵌入式系统电源方案能够在任何情况下都可以满足嵌入式处理器
14、的上电时序要求,否则可能会出现嵌入式系统异常甚至挂死现象。2.1 常用设计方案考虑到成本、可靠性等因素,业界比较常用的嵌入式系统电源方案框图如图1所示,各级电源轨按照芯片手册要求的特性单独采用低成本的D C D C变换器设计方案,各级电源轨之间的上电时序遵照芯片手册要求增加上电时序控制电路实现。图1 常用电源上电时序控制框图2.2 优化设计本文以电力行业的继电保护控制设备为例,在供电恶劣的户外安装环境,继电保护控制设备供电电源波动较大,容易出现短暂电压跌落现象,按照G B/T 1 4 5 9 8.2 6量度继电器和保护装置1 6第2 6部分电磁兼容要求,继电保护装置在发生供电电压暂降与瞬断时,
15、允许出现暂时功能丧失,但是要求故障消失后功能可以自恢复。2.1节所述的嵌入式系统电源设计方案只能保证在继电保护装置初次上电启动或者板内电源轨完全下电后再次上电启动时单板电源时序满足各类核心芯片要求,但是无法解决外部供电快速波动导致的板内部分电源轨电压跌落后迅速恢复(电容没有完全放电,存在残压)的场景,当上电时序靠后的电源轨上电容残余电压较高时再次上电会出现时序异常,可能会导致芯片工作不正常,甚至软件复位也无法恢复的严重问题。针对这种情况,本文提出了一种具有高可靠性、低成本、延时可调的嵌入式系统电源设计方案。该电源方案在检测到输入欠压后触发板内电源下电,并在输入恢复正常后产生可调的延时信号,保证
16、各级电源轨完全下电后再按照设计的时序重新上电,确保每次上电时序正常。3 工作原理及参数设计以嵌入式系统常用的X i l i n x A r t i x 7系列F P G A芯片为例,手册要求上电时序:内核电源R AM电源/辅助电源 I/O电源。当控制设备外部输入电源发生电压跌落快速恢复时,板内有些电源由于平面上电容总量较大,再次上电时仍有较高残压,造成时序不满足。电容放电不充分对时序的控制影响较大,场景也比较多,针对性规避处理难度大,所以从源头上保证各电源轨上电容完全放电是最有效的解决方案,电路成本开销也较小。3 0 M i c r o c o n t r o l l e r s&E m b
17、e d d e d S y s t e m s 2 0 2 3年第4期w w w.m e s n e t.c o m.c n 3.1 工作原理本文提出的具有高可靠性、低成本、延时可调的嵌入式系统电源设计方案如图2(a)所示。该电源方案由控制信号发生模块和若干个使能控制模块组成。图2 高可靠性低成本延时可调电源方案控制信号发生模块如图2(b)所示,基准电压源U0和比较器U1构成欠压检测模块,完成待检电源的欠压检测、产生欠压信号功能;控制信号处理模块根据应用场景进行选择,例如可将单板复位信号或者其他严重故障信号引入到控制电路中,实现硬件上下电重启操作;R0、R1和C1构成可调延时模块,运用R C电
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