Сброс по питанию, BOD и супервизор

Как устроен сброс внутри

У ATmega328P четыре источника сброса: включение питания, низкий уровень на выводе RESET, сторожевой таймер и BOD (DS40002061B, разд. 11.2). Схема сброса по питанию срабатывает, пока VCC ниже порога VPOT — 1,1–1,6 В на нарастании, — а после него внутренний счётчик держит сброс ещё время tTOUT, которое задают фьюзы SUT: 4,1 или 65 мс при 5 В (табл. 9-2 и 9-4). Даташит прямо оговаривает, что задержка не следит за напряжением: её выбирают длиннее времени нарастания питания, а если это невозможно, нужен BOD (разд. 9.2.2).

BOD сравнивает VCC с порогом, который задают фьюзы BODLEVEL. Порог имеет гистерезис 50 мВ: сброс включается сразу, как только напряжение опустится ниже VBOT−, и снимается через tTOUT после подъёма выше VBOT+ (разд. 11.5). Короткие провалы короче tBOD (около 2 мкс) детектор не замечает (табл. 29-11).

Коды 011–000 зарезервированы (табл. 29-12). Фьюзы удобно собрать в калькуляторе фьюзов AVR. Значения таблицы 29-11 Microchip помечает как ориентировочные, а пороги BOD проверяет при производстве при 25 и 85 °C (примечания к табл. 29-11 и 29-12).

У STM32F103 сброс по питанию и по снижению (POR/PDR) включён всегда, внешняя цепь для старта ему не нужна (DS5319, разд. 2.3.10). Порог — 1,80–1,96 В на спаде и 1,84–2,0 В на нарастании, гистерезис 40 мВ, после порога сброс держится ещё 1,0–4,5 мс (табл. 11). Программируемый детектор PVD с восемью уровнями от 2,18 до 2,88 В (типично, на нарастании; на спаде на 100 мВ ниже) сам сброс не вызывает: он выдаёт прерывание, в котором программа успевает сохранить данные и остановить периферию.

RC-цепь на выводе RESET

Вывод RESET ATmega328P уже подтянут к питанию резистором 30–60 кОм (табл. 30-1) и проходит через фильтр. В обычных условиях его можно оставить свободным или соединить с питанием. Microchip в AN2519 (рис. 3-1) рекомендует внешнюю цепь для шумных условий:

• R1 — подтяжка. От 4,7 кОм, чтобы программатор мог опустить линию; для отладки через debugWIRE — не меньше 10 кОм.
• C1 — конденсатор 100 нФ на общий провод. Это дополнительная защита от помех; при отладке через debugWIRE или PDI его не ставят, иначе линия не успевает переключаться.
• VD1 — диод от RESET к VCC. Своего защитного диода у вывода RESET нет, потому что на него подают 12 В при высоковольтном программировании. Если оно не нужно, диод защищает вывод от разрядов и выбросов.

Постоянная времени R1 · C1 = 4,7 кОм · 100 нФ = 0,47 мс. Отпускание сброса определяют порог вывода (от 0,2 до 0,9 VCC, табл. 29-11) и внутренняя задержка tTOUT — 4,1 или 65 мс, то есть в 9–140 раз длиннее, поэтому RC-цепь здесь фильтрует помехи, а не формирует задержку. Внешний импульс сброса должен быть не короче 2,5 мкс.

Кнопку сброса включают между RESET и общим проводом через небольшой резистор: без него кнопка мгновенно разряжает C1, ток через контакты и индуктивность дорожек даёт выбросы напряжения на выводе (AN2519, разд. 3.1).

Порог BOD и тактовая частота

Порог выбирают по самому высокому напряжению, при котором микроконтроллер ещё работает на своей частоте. Для ATmega328P допустимая частота растёт линейно: 4 МГц при 1,8 В, 10 МГц при 2,7 В и 20 МГц при 4,5 В (разд. 29.3).

1. 16 МГц от 5 В (как на Arduino Uno). Минимальное напряжение для 16 МГц: 2,7 + (16 − 10)/10 · 1,8 = 3,78 В. Подходит только BODLEVEL = 100: его порог не ниже 4,1 В. С порогом 2,7 В процессор будет работать с превышением частоты в диапазоне 2,7–3,78 В.
2. 8 МГц от 3,3 В. Частота 8 МГц допустима, пока VCC выше 1,8 + (8 − 4)/6 · 0,9 = 2,4 В. BODLEVEL = 101 (2,5–2,9 В) подходит с запасом.

С включённым BOD задержку tTOUT можно отключить (SUT «BOD enabled» в табл. 9-4): тогда после превышения порога остаются только 14 тактов и время запуска генератора — 16K тактов у кварца, около 1 мс при 16 МГц (табл. 9-4 и 9-6). BOD работает во всех режимах сна и всё это время потребляет ток (разд. 10.10.3) — в батарейных устройствах это нужно учитывать.

Внешний супервизор

Микросхема-супервизор сравнивает питание с точным порогом и держит выход сброса активным, пока напряжение ниже порога, и ещё 120–560 мс после его восстановления — в зависимости от типа. Она нужна, когда встроенного детектора нет или его порог не подходит: например, STM32F103 продолжает работать до 2,0 В, а другие микросхемы на шине 3,3 В отключаются раньше, или нужно сбрасывать несколько микросхем одним сигналом.

Значения порогов — типичные; минимум и максимум у MAX809L — 4,56–4,70 В при 25 °C и 4,50–4,75 В в диапазоне −40…+85 °C, у MAX809S — 2,85–3,00 В в том же диапазоне. У MCP1316 точность порога ±1,5 % при 25 °C и ±2,5 % во всём диапазоне: для варианта на 4,6 В это 4,485–4,715 В. ADI советует ставить у вывода VCC конденсатор 0,1 мкФ — он повышает устойчивость к коротким провалам.

Порог супервизора выбирают между минимальным напряжением питания в работе и минимальным напряжением, при котором работают все микросхемы схемы. Порог не должен заходить в допуск самого источника, причём сброс снимается не на пороге, а на пороге плюс гистерезис. Стабилизатор 7805 выдаёт 4,75–5,25 В (MC7805C, см. линейный стабилизатор). У MAX809L порог до 4,75 В в диапазоне −40…+85 °C — ровно на нижней границе. У MCP1316 на 4,6 В гистерезис 1–6 % порога (0,046–0,276 В), и напряжение, при котором он снимает сброс, может доходить до 4,95 В уже при 25 °C — выше минимума 7805. Поэтому за 7805 ставят MAX809M: порог 4,25–4,50 В в том же диапазоне, выше 3,78 В, которые нужны ATmega328P на 16 МГц, и ниже 4,75 В. MAX809L и MCP1316 на 4,6 В годятся для источника с допуском лучше ±2–3 %.

NRST у STM32F103

Вывод NRST подтянут к VDD резистором 30–50 кОм, сигнал проходит через фильтр: импульсы короче 100 нс он подавляет, импульсы длиннее 300 нс гарантированно вызывают сброс (DS5319, табл. 39). ST рекомендует конденсатор 0,1 мкФ от NRST на общий провод — он защищает от ложных сбросов (рис. 31). Внешняя схема должна опускать NRST ниже 0,8 В, иначе сброс не будет воспринят.

Главная особенность — NRST двунаправленный. Любой внутренний сброс (сторожевые таймеры, программный сброс, сброс по питанию) выводится на NRST, и генератор держит его низким не меньше 20 мкс (RM0008, разд. 7.1). Поэтому супервизор, кнопку и программатор подключают только выходами с открытым стоком: MAX803, MCP1316M или MCP1320 с внешней подтяжкой. ADI прямо приводит MAX803 как вариант для микроконтроллеров с двунаправленным выводом сброса.

Детали

Варианты

• Без внешних деталей. ATmega328P с включённым BOD и STM32F103 со встроенными POR/PDR стартуют сами. Внешнюю цепь добавляют против помех и для общего сброса нескольких микросхем.
• Супервизор со сторожевым таймером. MCP1316 сбрасывает микроконтроллер, если на вход WDI не приходили импульсы 1,12–2,4 с. Это независимый от кристалла сторожевой таймер — он сработает, даже если встроенный отключён ошибочной программой. Встроенные таймеры: AVR и STM32.
• Прерывание по снижению питания. PVD у STM32 и аналоговый компаратор у AVR позволяют до сброса сохранить данные: порог PVD ставят выше порога сброса, а запас энергии на сохранение дают конденсаторы питания.

Почему не работает

• Микроконтроллер не стартует или стартует через раз при медленном нарастании питания. У AVR задержка tTOUT короче времени нарастания, или питание нарастает медленнее 0,01 В/мс, для которых рассчитан сброс по питанию (табл. 29-11): выберите 65 мс в SUT или включите BOD.
• Портится EEPROM при выключении. BOD выключен или порог ниже того, при котором процессор сохраняет работоспособность на своей частоте. Для 16 МГц — только 4,3 В.
• AVR не прошивается программатором. Подтяжка RESET меньше 4,7 кОм или стоит конденсатор при debugWIRE.
• STM32 не перезагружается от сторожевого таймера, хотя флаг сброса выставлен. На NRST висит двухтактный выход супервизора или логики и не даёт опустить линию.
• Ложные сбросы от касания или помех. Нет конденсатора на RESET или NRST, длинная дорожка до кнопки.
• Сброс не снимается на исправном питании. Порог супервизора с учётом разброса и гистерезиса заходит в допуск стабилизатора: сброс снимается при пороге плюс гистерезис (у MCP131X до 6 % порога). Сравните это напряжение с минимумом выходного напряжения стабилизатора.