Cамым эффективным и дешевым способом контроля над напряжением питания при разработке микропроцессорных систем является использование внешней микросхемы супервизора питания. Она позволяет не только поддерживать контроллер в состоянии сброса перед его пуском (функция POR - power on reset), но и контролировать уровень и стабильность питания во время выполнения программы (функция BOR - brown out reset), выполнять функции сторожевого таймера (WDT), а также реализовывать другие сервисные функции, такие, как внешний сброс. Компания Microchip Technology Inc., ведущий мировой производитель 8-ми и 16-битных контроллеров, предлагает широкий диапазон супервизоров и детекторов напряжения. 

Зачем нужен супервизор?

Супервизоры питания микроконтроллеров используются в различных приложениях, но две основные задачи, которые они позволяют решать - следующие:

1. Удержание контроллера в состоянии сброса до тех пор, пока напряжение питания не достигнет заданного значения и не стабилизируется (POR).

2. Сброс контроллера при снижении напряжения питания ниже критического уровня или при внезапном провале напряжения (BOR).

Несмотря на то, что большинство современных микроконтроллеров уже имеют в своем составе встроенные модули POR и BOR, применение внешних супервизоров оправданно по следующим соображениям:

1. Ограниченное число контрольных точек для сброса микроконтроллера при использовании внутренних функций, по сравнению с супервизором.

2. Ток потребления внешнего супервизора в сотни раз меньше по сравнению с потреблением при подключении внутренней функции BOR и POR, что связано в первую очередь с технологией производства микроконтроллеров и аналоговых микросхем.

Таблица 1. Характеристики сброса

Устройство	Варианты точек на сброс, В	Ток потребления, мкА (мин/макс)
PIC16F87xA	4,00	-/200
PIC18F1320	2,72; 4,22; 4,54	19/45
MCP121	1,90; 2,32; 2,63; 2,93; 3,08; 4,38; 4,63	-/1,75
MCP111	1,90; 2,32; 2,63; 2,90; 2,93; 3,08; 4,38; 4,63;	-/1,75

В таблице 1 приводится сравнение двух контроллеров PIC производства Microchip Technology Inc. и супервизоров MCP121 и MCP111 по количеству пороговых значений напряжения и току потребления, подтверждающее эти положения:

Помимо описанных функций, супервизоры могут использоваться в качестве сторожевого таймера (WDT) для контроля выполнения времени программы, а также для организации так называемого «оконного» режима. В последнем случае используется два супервизора: один непосредственно для сброса контроллера, а второй - для выявления факта снижения напряжения, чтобы иметь возможность корректно сохранить данные в промежуток времени перед перезагрузкой процессора.

Далее рассмотрены примеры реализации всех указанных функций.

Функция POR

В спецификации на большинство микроконтроллеров указываются параметры, характеризующие, в частности, режим нарастания питания. Неравномерность в нарастании напряжения, несоответствие реальной скорости нарастания и скорости, указанной в спецификации на контроллер, может привести к сбоям в работе контроллера или некорректному запуску.

Как уже упоминалось выше, супервизоры питания позволяют решить подобные проблемы путем удержания микроконтроллера в состоянии сброса до тех пор, пока напряжение питания не достигнет заданного уровня и не стабилизируется. Как только питание стабилизируется, контроллер запускается и начинает выполнение своей программы (рис. 1). 

Рис. 1. Удержание контроллера в состоянии «Сброс» при нарастании напряжения питания

Обычно период сброса для различных супервизоров варьируется в диапазоне от 150 до 500 мс. Детекторы напряжения, позволяющие контролировать уровень напряжения питания, отличаются от супервизоров отсутствием задержки импульса сброса. 

Функция BOR

Под понятием «Brown out» или потерей напряжения питания (рис. 2) подразумевают различные случаи колебания, «провисания» или превышения напряжением безопасного порогового уровня. 

Рис. 2. Сброс контроллера при снижении напряжения питания ниже заданного уровня

Такие колебания, вызванные различными причинами, могут привести к некорректной работе контроллера, сохранению неверных данных в памяти и, как следствие, неправильному функционированию системы в целом.

К сожалению, не всегда на этапе проектирования и разработки системы предусматриваются подобные случаи потери напряжения, и проблемы обнаруживаются уже потом, когда изделие уже готово и запущенно в массовое производство. 

Постепенное снижение напряжения

Помимо колебаний и резких провалов напряжения, типичным является постепенное медленное снижение питания (рис. 3). Речь в первую очередь идет о батарейных приложениях, где такая ситуация возможна при разряде батареи. 

Рис. 3. Постепенное снижение напряжения питания

Подобные ситуации могут, в частности, приводить к тому, что собьется счетчик команд, и программа начнет работать неправильно.

Если в системе используется внешняя энергонезависимая память EEPROM, которая работает при напряжениях питания от 1,2 В, то возможна ситуация, когда микроконтроллер будет работать неправильно и запишет случайные данные в EEPROM, что может быть обнаружено (или нет) при последующей перезагрузке. 

Как подобрать супервизор?

Для реализации функций POR/BOD необходимо обратить внимание на следующие основные факторы:

1. Напряжение сброса (большинство супервизоров имеют ряд фиксированных напряжений срабатывания для поддержки 5 В и 3 В систем);

2. Тип выхода (с открытым стоком, с внутренним подтягивающим резистором или комплементарный);

3. Полярность импульса сброса (низкий/высокий уровень).

В таблице 2 приводятся типичные номиналы напряжений на сброс. Выбор номинала напряжения определяется в первую очередь напряжением питания контроллера и диапазоном напряжения питания элементов всей цепи.

Таблица 2. Типичные номиналы напряжений на сброс супервизоров

Минимальное значение, В	Типичное значение на сброс, В	Максимальное значение, В
2,55	2,625	2,7
2,85	2,925	3,0
3,0	3,075	3,15
4,25	4,375	4,50
4,35	4,475	4,60
4,50	4,625	4,75
4,60	4,725	4,85

К примеру, для контроллера с питанием 5 В ±10%, работающем в диапазоне 4,5...5,5 В, выбор супервизора с минимальной и максимальной точками сброса 4,5 В и 4,75 В соответственно гарантирует сброс микроконтроллера до достижения нижнего порога работы процессора.

Выбор полярности импульса сброса супервизора определяется активным уровнем на входе сброса контроллера. К примеру, у супервизоров MCP100/120/130 активный уровень сброса низкий, а у MCP101 - высокий.

Помимо перечисленных свойств, супервизоры характеризуются такими параметрами как:

• величина задержки импульса сброса (у детекторов напряжения задержки нет);
• ток потребления;
• наличие входа сторожевого таймера;
• наличие входа для подключения внешнего сброса (MR).

Ниже идет описание отличительных особенностей супервизоров и детекторов напряжения компании Microchip Technology Inc.

Микропотребление

Mircochip Technology Inc. производит ряд супервизоров питания, рекомендуемых для применения в портативных и батарейных приложениях (см. табл. 3). Их отличительной особенностью является сверхнизкий ток потребления - единицы и доли микроампер.

Таблица 3. Микропотребляющие супервизоры

Тип	Vcc диап. раб. напря- жения, В	Диапа- зон темпе- ратур, °С	Вариан- ты напря- жений для сброса	Уро- вень сигна- ла сбро- са	Выход	Типо- вая мин. дли- тель- ность сигна- ла сбро- са, мсек	Типо- вой пот- реб-ляе- мый ток, мкА	Допол- нитель- ные осо- бен-ности	Корпуса
MCP102	1,0...5,5	-40...125	1,9; 2,32; 2.63; 2,93; 3,08; 4,38; 4,63	Низкий	CMOS Push-Pull	120	1	-	3pin SOT-23B, SC-70, TO-92
MCP103	1,0...5,5	-40...125	1,9; 2,32; 2,63; 2,93; 3,08; 4,38; 4,63	Низкий	CMOS Push-Pull	120	1	Цоко-левка как у MAX809	3pin SOT-23B, SC-70, TO-92
MCP121	1,0...5,5	-40...125	1,9; 2,32; 2,63; 2,93; 3,08; 4,38; 4,63	Низкий	Open Drain	120	1	-	3pin SOT-23B, SC-70, TO-92
MCP131	1,0...5,5	-40...125	1,9; 2,32; 2,63; 2,93; 3,08; 4,38; 4,63	Низкий	Open Drain + внутр 100 кОм резистор на Vcc	120	1	-	3pin SOT-23B, SC-70, TO-92

Это дает возможность интегрировать супервизоры Microchip в системы, критичные к току потребления, экономя мощность с одной стороны, и повышая надежность системы - с другой. 

Супервизоры со входом сторожевого таймера

Microchip производит супервизоры с функцией сторожевого таймера WDT (рис. 4), позволяющие контролировать, помимо напряжения питания, время выполнения программы микроконтроллера (см. табл. 4).

Рис. 4. Использование супервизора в качестве сторожевого таймера

Таблица 4. Супервизоры Microchip со встроенной функцией WDT

Тип	Vcc диапазон рабочих напряже- ний, В	Уровень сигнала сброса	Типовая мин. длитель- ность сигнала сброса, мсек	Типовой потреб- ляемый ток, мкА	Дополни- тельные особенности	Корпуса
MCP1316	1,0...5,5	Низкий	200	5	WDT, MR	5/SOT23
MCP1316M	1,0...5,5	Низкий	200	5	WDT, MR	5/SOT23
MCP1317	1,0...5,5	Высокий	200	5	WDT, MR	5/SOT23
MCP1318	1,0...5,5	Низкий	200	5	WDT	5/SOT23
MCP1318M	1,0...5,5	Низкий	200	5	WDT	5/SOT23
MCP1320	1,0...5,5	Низкий	200	5	WDT, MR	5/SOT23
MCP1321	1,0...5,5	Низкий	200	5	WDT	5/SOT23
TC1232	45...5,5	Низкий/ Высокий	610	50	WDT	8SOIC, 16SOIC, 8PDIP
TC32M	4,5...5,5	Низкий	700	50	WDT	3SOT23, 3TO92

Если заданное гарантированное время выполнения программы оказывается больше программируемого тайм-аута сторожевого таймера (Twd), на выходе супервизора /RST устанавливается низкий уровень, и микроконтроллер сбрасывается.

Супервизоры со входом для подключения кнопки сброса

В некоторых портативных приложениях требуется иметь кнопку ручного сброса. Microchip предлагает ряд супервизоров со входом для непосредственного подключения кнопки сброса микроконтроллера (/MR) без дополнительного проектирования внешних цепей (рис. 5). Время Trst, указываемое в документации на супервизоры, определяет продолжительность импульса сброса микроконтроллера.

Рис. 5. Ручной сброс микроконтроллера с использованием супервизора

Супервизоры со входом для подключения кнопки сброса отмечены в таблице 4 аббревиатурой MR в колонке «Дополнительные особенности».

Использование супервизоров для организации «оконного» режима

В некоторых случаях перед сбросом контроллера при снижении напряжения питания необходимо предварительно корректно сохранить все промежуточные данные и программный контекст. Для того, чтобы за время снижения напряжения питания с уровня V1 до критического уровня сброса V2 контроллер успел соответствующим образом обработать это событие и сохранить необходимые данные в энергонезависимой EEPROM- или Flash-памяти, в системе ставят два супервизора. Один - для выявления факта снижения напряжения и индикации контроллеру, а второй - непосредственно для сброса контроллера при достижении критического уровня значения напряжения питания (рис. 6). Такой прием позволяет повысить надежность системы за счет контроля над напряжением питания микроконтроллера, а также за счет своевременного оповещения о снижении напряжения до критического уровня.

Рис. 6. Использование супервизоров для организации «оконного» режима контроля над напряжением

Детекторы напряжения

Детекторы напряжения, как уже упоминалось выше, отличаются от супервизоров отсутствием задержки на выходе сброса RST.

Microchip производит ряд детекторов в миниатюрных корпусах 3/SOT-23, 3/SOT-89, 3/TO-92, отличающихся сверхнизким собственным потреблениемпотреблением (см. табл.5).

Таблица 5. Детекторы напряжения Microchip  

Тип	Vcc диапазон рабочих напряжений	Варианты напряжений для сброса	Уровень сигнала сброса	Выход	Типовой потреб- ляемый ток, мкА	Корпуса
MCP111	1,0...5,5	1,9; 2,32; 2,63; 2,93; 3,08; 4,38; 4,63	Низкий	Open drain	1	SOT-23, SOT89,SC-70, TO-92
MCP112	1,0...5,5	1,9; 2,32; 2,63; 2,93; 3,08; 4,38; 4,63	Низкий	CMOS Push-Pull	1	SOT-23, SOT89,SC-70, TO-92, 8PDIP
TC51	0,7...10	2,2; 2,7; 3,0	Низкий	Open drain	1	3/SOT-23A
TC52	1,5...10	4,5/2,7; 3,0/2,7	Низкий	Open drain	2	5/SOT-23
TC53	1,5...10	2,9; 2,7; 2,2	Низкий	CMOS push-pull, Open drain	1	5/SOT-23
TC54	0,7...10	4,3; 4,2; 3,0; 2,9; 2,7; 2,1; 1,4	Низкий	CMOS push-pull,  Open drain	1	3/SOT-23A 3/SOT-89 3/TO-92 5/SOT-23

Заключение

Отметим, что основными параметрами супервизоров, на которые следует обратить внимание при его выборе, являются:

1) пороговое напряжение;
2) тип выхода;
3) полярность напряжения сброса;
4) величина импульса сброса;
5) собственное потребление;
6) температурный диапазон.

Компания Microchip Technology Inc. производит микропотребляющие недорогие супервизоры в миниатюрных корпусах, с различными номиналами напряжений на сброс, типами выхода и величиной импульса сброс.

Информация об аналоговой и интерфейсной продукции Microchip, в том числе детекторам и супервизорам напряжения: последние версии документации, примеры применения, программное обеспечение для разработки и отладки, необходимая техническая литература - всегда доступна на сайте Microchip Technology Inc. по прямой ссылке: www.miсrochip.com/analog.