마이크로컨트롤러에서 브라운아웃 리셋이란 무엇입니까? 잘못된 전원 차단을 방지하는 방법

Brown Out Reset은 시동 후 마이크로컨트롤러의 신뢰성을 높이는 중요한 기능입니다. 일반적으로 전원 공급 장치의 문제를 해결하는 데 사용되는 이 문서에서는 브라운아웃 재설정이 다른 문제를 방지하는 방법을 보여줍니다.

브라운 아웃 리셋 검토

마이크로컨트롤러의 "브라운 아웃"은 안정적인 작동에 필요한 수준 아래로 전원 공급 장치 전압이 부분적으로 일시적으로 감소하는 것입니다. 많은 마이크로컨트롤러에는 공급 전압이 이 수준 아래로 떨어질 때를 감지하고 장치를 재설정 상태로 전환하여 전원이 다시 들어올 때 적절한 시작을 보장하는 보호 회로가 있습니다. 이 작업을 "Brown Out Reset" 또는 BOR이라고 합니다. 유사한 기능을 LVD(저전압 감지)라고 하며 더 복잡하고 여러 전압 레벨 감지를 추가하고 재설정이 트리거되기 전에 인터럽트를 생성할 수 있습니다.

BOR은 종종 제어 레지스터의 비트에 의해 활성화됩니다. 일반적으로 상태 비트는 BOR이 재설정을 일으킬 때 설정됩니다. 이 상태 비트는 리셋을 유지하고(전원이 너무 낮아지지 않는 경우!) 프로그램이 문제를 감지하고 추가 복구를 수행하거나 이벤트를 기록할 수 있도록 합니다.

BOR이 비활성화되면 어떻게 됩니까? 다음은 지속적으로 떨어지는 전원 공급 장치 전압을 보여줍니다. 아마도 이것은 전원 공급 장치의 성능 저하 또는 배터리 방전일 것입니다.

V1은 일반 전원 공급 장치 전압입니다. V2는 마이크로컨트롤러가 안정적으로 작동하지 않을 수 있는 지점입니다. V3는 동작이 완전히 멈추는 지점으로 보여줍니다. V2와 V3 사이에는 일이 잘못될 수 있고 작동이 신뢰할 수 없는 "위험 영역"이 있습니다. 장치는 전원 공급 장치가 위험 영역에 들어오고 나가는 동안 몇 년 동안 올바르게 작동할 수 있습니다. BOR 레벨은 V2 이상으로 설정되고 위험 영역을 장치 재설정으로 대체합니다. 재설정은 좋지 않지만 (일반적으로) 불확실한 것보다 낫습니다.

다음으로 전원 공급 장치가 정상적으로 작동했지만 BOR을 사용하여 다른 문제를 해결한 상황에 대해 설명합니다.

브라운 아웃 리셋의 다른 용도 찾기(힘든 방법)

나는 18개의 광 센서에 대한 +5V 전력을 제어하는 ​​모듈에 PIC 마이크로컨트롤러와 18개의 전압 조정기를 포함하는 회로를 설계했습니다. 12개의 모듈이 어레이에서 204개의 센서를 제어했습니다. 이 모듈은 하와이 마우나 케아에 있는 대형 천체 망원경의 Adaptive Optics 시스템의 일부입니다. 다음은 모듈 내부입니다.

사진 제공:스바루 망원경

마이크로컨트롤러는 보드 중앙 부근에 있으며 18개의 선형 전압 조정기는 인클로저의 벽에 장착되어 있습니다. 모듈과 센서는 수냉식 플레이트에 장착되어 센서 어레이 위에 있는 광학 벤치에서 열을 멀리 이동시킵니다. 광 센서의 펄스는 모듈로 이동하여 차동 RS-485 신호로 변환되고 그림의 상단 중앙에 있는 커넥터에서 출력됩니다. 또한 모듈로 들어가는 RS-485 제어 신호가 있습니다. 모든 RS-485 신호는 약 10미터 떨어진 섀시의 회로에 연결됩니다. 중요한 점은 모듈의 모든 회로가 동일한 +5V 전원으로 작동한다는 것입니다.

다음은 문제의 핵심인 마이크로컨트롤러와 RS-485 라인 드라이버 및 수신기의 근접 촬영입니다. 검은색 모듈식 잭은 RS-485 I/O 신호 2개를 추가하는 비동기식 직렬 인터페이스입니다.

모듈은 벤치에서 광범위한 테스트를 거쳤습니다. 아무 문제 없습니다! 그들은 실험실에서 몇 달 동안 시스템 테스트를 거쳤습니다. 완벽한! 큰 사건은 망원경에서의 첫 번째 테스트였습니다. 실패하다! 전원을 껐다가 다시 켰을 때 모듈의 약 절반에 대한 통신이 두절되었습니다. 디버거를 연결하고 코드를 실행하고 실행하는 마이크로컨트롤러를 찾았지만 변수가 손상되었고 직렬 인터페이스가 작동하지 않았습니다. 매우 이상합니다.

먼저, 고도 13,589피트(4,138미터), 기온 40°F(4°C)에서 한밤중에 디버깅하는 것은 재미가 없다고 말하고 싶습니다. 그러나 계속 진행해 보겠습니다. 다음은 문제를 보여주는 다이어그램입니다.

오른쪽에는 마이크로컨트롤러와 +5V 전원에 연결된 RS-485 라인 수신기가 있는 모듈이 있습니다. 왼쪽에는 항상 전원이 켜져 있는 케이블의 다른 쪽 끝에 있는 라인 드라이버가 있습니다. 사실, 양방향으로 가는 드라이버와 수신기가 있지만 저는 단순화하고 있습니다. 모듈 전원(VCC)이 꺼져 있을 때 원격 라인 드라이버와 수신기는 여전히 켜져 있습니다(VDD). 신호는 전원처럼 작동하며 모듈 인터페이스 장치를 통해 직접 +5V 전원 또는 마이크로컨트롤러 핀의 ESD 보호 회로를 통해 전달됩니다. 마이크로컨트롤러의 전원이 완전히 꺼지지 않도록 하는 데 충분한 전력이 있었고 장치가 위험 영역에 있었습니다.

모듈 전원이 켜졌을 때 마이크로컨트롤러가 정상적인 전원 켜기 재설정 시퀀스로 시작하지 않았습니다. 실행을 시작했지만 문제가 있습니다. 이전 테스트에서 이것이 나타나지 않은 이유는 무엇입니까? 수냉식 접시를 기억하십니까? 망원경의 냉각수는 실험실의 냉각수보다 훨씬 차가웠습니다. 내 이론은 낮은 온도가 일부 모듈의 문제를 드러내기에 충분했다는 것입니다.

수정은 쉬웠습니다. 코드에 BOR을 활성화하는 명령문을 추가했고 문제가 해결되었습니다. 그건 그렇고, 보고서를 작성하고 프로젝트 관리자에게 문제를 해결하는 데 걸리는 것보다 모든 것이 괜찮다고 확신시키는 데 훨씬 더 오래 걸렸습니다.

거짓 전원 끄기

다음은 일반적인 문제를 보여주는 다이어그램입니다.

전원이 꺼지면 전압이 완전히 내려가지 않습니다. 대신 다른 전원이 위험 영역에서 공급 전압을 유지합니다. 이 전압에 대한 한 가지 설명은 "거짓 전력"입니다. 이 조건을 감지하고 재설정을 일으키는 BOR이 없습니다. 전원 리셋 회로가 트리거되지 않을 수 있으므로 전원이 다시 켜질 때 장치가 정상적인 전원 켜기 시퀀스를 거치지 않을 수 있습니다. 전원이 최소값 이하로 내려갔고 리셋이 되지 않아 후속 동작이 불확실합니다.

제 경우에는 마이크로 컨트롤러가 Microchip PIC16F877-20I/L이었습니다. 이 부품은 작동 온도 범위가 -40°C ~ +85°C인 산업용 버전입니다. 16MHz 클록에서 전원 공급 범위는 +4.0V ~ +5.5V입니다. 모듈(V1) 내부의 작동 전압은 견고한 +5V였습니다. 마이크로컨트롤러(V2)의 잘못된 전원 전압은 망원경에서 작동할 때 약 +1.5V였습니다. . 실험실에서 측정은 해보지 않았고 문제도 없었고 확인을 할 줄도 몰랐습니다. 게다가 망원경에서 시스템이 내려온 적이 없기 때문에 실험실 조건으로 확인할 기회가 없었습니다.

다른 두 가지 관련 사양이 있습니다. "RAM 데이터 보존 전압"(\[V_{DR}\])은 +1.5V, "일반 ". 내부 전원 켜기 재설정을 보장하기 위한 "VDD 시작 전압"(\[V_{POR}\]), "일반 ". 이 모든 것을 함께 접으면 장치가 위험 지대 내에 있음을 알 수 있습니다. 전압이 \[V_{POR}\]보다 훨씬 높기 때문에 전원 켜기 재설정을 예상할 수 없습니다. 또한 False Power가 RAM 유지 전압(\[V_{DR}\])에 있기 때문에 False Power가 장치를 계속 활성 상태로 유지할 것이라고 기대하지 않았습니다. 나머지 장치가 무엇을 하고 있었는지 누가 압니까?

BOR을 켜서 문제가 해결된 이유는 무엇입니까? 브라운아웃 리셋 트리거 사양(\[V_{BOR}\])은 +3.7V ~ +4.35V 범위이며 일반적으로 +4.0V입니다. False Power 레벨은 BOR의 트리거 전압보다 훨씬 낮습니다. 문제 해결됨. 그러나 마이크로컨트롤러가 실험실에서 작동하고 많은 전원 주기로 정상적으로 작동하는 이유는 여전히 미스터리입니다.

결론

나는 이것을 "False Power-Down"이라고 부르는 Microchip 애플리케이션 노트(AN607)의 끝에서 이 상황에 대한 설명을 찾았습니다. 다른 곳에서는 문서화되어 있지 않습니다.

거짓 힘은 다음과 같은 출처에서 올 수 있습니다.

<울>

외부 신호(내 경우)

회로의 다중 전원 공급 장치

완전히 방전되는 데 시간이 걸리는 커패시터

GPIO 핀에 직접 적용되는 False Power 소스가 충분히 높은 것으로 보이며 ESD 보호 회로를 통해 장치에 입력하면 BOR이 활성화된 경우에도 문제가 발생할 수 있습니다. . 또한 초저전력 설계의 경우 일부 장치의 딥 슬립 모드에 비해 상당한 전력을 소모하기 때문에 BOR을 전혀 사용하지 않는 이유가 있습니다. 내 결론은 BOR과 그 후속 제품인 LVD는 점점 더 복잡해지고 있으며 False Power는 디자이너가 디자인의 이 까다로운 부분에서 고려해야 할 한 가지 더 많은 것을 제공한다는 것입니다.