LDO穩(wěn)壓器對(duì)嵌入式系統(tǒng)掉電保護(hù)作用的研究

程萬(wàn)前，阮 慧，郭少艾，郭月俊，王 彪

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

LDO穩(wěn)壓器對(duì)嵌入式系統(tǒng)掉電保護(hù)作用的研究

程萬(wàn)前1,2，阮 慧1,2，郭少艾1,2，郭月俊1,2，王 彪1

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

針對(duì)嵌入式系統(tǒng)掉電保護(hù)的問(wèn)題，對(duì)低壓差(LDO)線(xiàn)性穩(wěn)壓器對(duì)系統(tǒng)掉電保護(hù)的作用進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)以基于LPC2138的嵌入式系統(tǒng)為例，測(cè)試了壓降不同的3款穩(wěn)壓器對(duì)系統(tǒng)掉電后工作時(shí)間的影響。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：低壓降的LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器相對(duì)普通的穩(wěn)壓器具有顯著的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)掉電后，它能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供更加充足的時(shí)間向外部存儲(chǔ)設(shè)備寫(xiě)入重要信息。

LDO穩(wěn)壓器；掉電保護(hù)；嵌入式系統(tǒng)；LPC2138

嵌入式系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用廣泛，而電源部件是構(gòu)成它的重要組成部分，其系統(tǒng)的掉電保護(hù)成為備受重視的問(wèn)題[1-7]。國(guó)內(nèi)對(duì)該問(wèn)題的研究成果也比較豐富，目前工程中經(jīng)常采用增加備用電源、使用專(zhuān)業(yè)掉電保護(hù)芯片等解決方案。增加備用電源可以讓系統(tǒng)在掉電后依然正常工作，然而該方案有占用體積大、使用壽命短等缺點(diǎn)，在系統(tǒng)掉電后只需要保存數(shù)據(jù)的場(chǎng)合下，它是不必要的[8]；雖然使用專(zhuān)業(yè)掉電保護(hù)芯片能有效增加系統(tǒng)掉電后的工作時(shí)間，但是該方案會(huì)增加設(shè)計(jì)成本，使電路變得更加復(fù)雜。在實(shí)際應(yīng)用中，往往只需要占用極短的時(shí)間在系統(tǒng)掉電后存儲(chǔ)一些重要數(shù)據(jù)，此時(shí)采用性能優(yōu)異的低壓差(low dropout,LDO)線(xiàn)性穩(wěn)壓器配合掉電檢測(cè)芯片，即可完成系統(tǒng)的掉電保護(hù)。

LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器是一種微功耗的線(xiàn)性穩(wěn)壓器，它具有低壓降、低噪聲、低功耗、小封裝等突出優(yōu)點(diǎn)，這使它廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中[9]。LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器的壓差低于普通的穩(wěn)壓芯片，因此在系統(tǒng)掉電時(shí)，它的持續(xù)工作時(shí)間也比普通穩(wěn)壓芯片的時(shí)間長(zhǎng)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示，選取ARM7微處理器LPC2138作為測(cè)試芯片。供電電壓接入掉電檢測(cè)單元，輸出掉電信號(hào)接入LPC2138的外部中斷接口中。當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，掉電檢測(cè)單元輸出低電平信號(hào)，觸發(fā)外部中斷。中斷觸發(fā)后，LPC2138產(chǎn)生高頻的方波輸出信號(hào)，直到系統(tǒng)無(wú)法工作為止。實(shí)驗(yàn)中將輸出掉電信號(hào)、輸出方波信號(hào)和3.3 V供電電壓接入示波器，來(lái)觀(guān)察系統(tǒng)掉電后的工作過(guò)程。測(cè)試出的輸出方波信號(hào)的持續(xù)時(shí)間即為系統(tǒng)掉電后的工作時(shí)間。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框圖

掉電檢測(cè)電路采用TPS3707設(shè)計(jì)完成。TPS3707是帶掉電檢測(cè)功能的處理器管理芯片，它內(nèi)部包含一個(gè)電壓比較器，將PFI(4腳)輸入電壓與1.25 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，并通過(guò)(5腳)輸出。當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)由于供電電壓降低，端輸出低電平。系統(tǒng)掉電檢測(cè)電路如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)選取3款LDO穩(wěn)壓器進(jìn)行比較：AMS1117、CAT6219和TPS7A4533。AMS1117的壓降為1 V，是普通的穩(wěn)壓器。CAT6219是500 mA電流輸出的CMOS低壓降穩(wěn)壓器，其壓降為300 mV。TPS7A4533為T(mén)I公司的1.5 A低壓降穩(wěn)壓器，其壓降為300 mV。為了模擬系統(tǒng)意外掉電的情況，實(shí)驗(yàn)采用臺(tái)灣固緯多功能線(xiàn)性直流電源供應(yīng)器GPD-3303S，該電源最小分辨率可達(dá)1 mV/1 mA，通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼進(jìn)行控制。

2 結(jié)果分析

3種穩(wěn)壓芯片的測(cè)試波形如圖3、圖4、圖5所示，圖中邏輯分析儀通道7為T(mén)PS3707的輸出信號(hào)，通道5為L(zhǎng)PC2138的輸出方波信號(hào)，這兩路信號(hào)指示系統(tǒng)掉電后的工作時(shí)間；CH1為穩(wěn)壓器的輸出信號(hào)，它用于指示系統(tǒng)掉電后輸出電壓下降的過(guò)程。從中可以看出，采用LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器后，系統(tǒng)掉電后電壓下降的過(guò)程會(huì)明顯延緩。經(jīng)過(guò)整理的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。采用AMS1117作為系統(tǒng)穩(wěn)壓芯片時(shí)，系統(tǒng)掉電后的工作時(shí)間在 4.4 ms左右，而采用更低壓降的 CAT6219、TPS7A4533后，系統(tǒng)掉電后的工作時(shí)間均在8 ms以上。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論：采用低壓降的LDO降壓轉(zhuǎn)換器作為供電芯片，能夠有效延長(zhǎng)系統(tǒng)掉電后的工作時(shí)間。

圖3 AMS1117實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4 CAT6219實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖5 TPS7A4533實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

表1 掉電檢測(cè)電路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ms

3 功能測(cè)試

為了進(jìn)一步測(cè)試電路的工作性能，設(shè)計(jì)進(jìn)行了掉電時(shí)的存儲(chǔ)功能測(cè)試。使用LDO對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行掉電存儲(chǔ)，當(dāng)中斷觸發(fā)時(shí)，LPC2138先向16 kB鐵電存儲(chǔ)器FM25CL16B寫(xiě)入8字節(jié)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)掉電后的工作波形如圖6所示，其中邏輯分析儀通道0為輸出掉電信后，通道5為向存儲(chǔ)器中寫(xiě)數(shù)據(jù)的信號(hào)，4端為L(zhǎng)PC2138的輸出方波信號(hào)。從中可以看出，向鐵電存儲(chǔ)器寫(xiě)入8字節(jié)數(shù)據(jù)占用的時(shí)間極短，僅為130 μs。經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用AMS1117作為供電芯片可以使系統(tǒng)在掉電后寫(xiě)入240字節(jié)左右的數(shù)據(jù)，而采用壓降為300 mV的低壓降LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器以后，系統(tǒng)可以在掉電后向存儲(chǔ)器寫(xiě)入450字節(jié)以上的數(shù)據(jù)。

圖6 掉電后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)測(cè)波形

4 總結(jié)

采用低壓降的LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器可以明顯延長(zhǎng)系統(tǒng)掉電后的工作時(shí)間，使得中央處理器能夠向存儲(chǔ)器中寫(xiě)入更多的數(shù)據(jù)。由LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器結(jié)合掉電檢測(cè)芯片組成的掉電保護(hù)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有優(yōu)良的實(shí)用效果，可作為一個(gè)重要的組成部分應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中。

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Research on effects of LDO regulators on power-down protection of embedded system

Focused on the power fail safeguard in embedded system,the effects of LDO regulators on power-down protection were introduced.The relationship between the LDO regulators and the operating time of system after power down was tested.The experiment was based on LPC2138 system and the difference of operating time after power down was tested when using different regulators.After analyzing the data, the results show that LDO regulators can provide enough time for system to write important data to storage device.

LDO regulator;power fail protection;embedded system;LPC2138

TM 643

A

1002-087 X(2016)06-1290-03

2015-12-10

自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61306060，61376070，61106047，BK2012188)

程萬(wàn)前(1990—)，男，吉林省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧杰浻布到y(tǒng)。

王彪，E-mail：wb5996@163.com