純硬件方案模擬手動開關(guān)機，解決國產(chǎn)CPU斷電間隔短無法啟動問題

導(dǎo)語：

本案例中的一個問題可能是很多***的通病，可以提供一種解決思路。

很多國產(chǎn)基于ARM內(nèi)核的廠商都是從平板起家，對于工控的應(yīng)用場合還是處于剛起步的階段，在國產(chǎn)化的潮流下，很多芯片的bug也只能與供應(yīng)商一起解決。本案例中的一個問題可能是很多***的通病，可以提供一種解決思路。

1問題描述

我們的產(chǎn)品使用了國內(nèi)某知名芯片廠商提供的方案，該芯片是其第一款用于工業(yè)產(chǎn)品的主CPU，綜合貿(mào)易戰(zhàn)和性價比的考慮，我們第一次嘗試國產(chǎn)的主芯片替代TI的，在實際使用過程中，出現(xiàn)以下的現(xiàn)象：

1、我們設(shè)置為開機自動啟動，無需人工按下開關(guān)機，這是工控的正常需求；

2、在冷啟動（關(guān)機30mim后再啟動），設(shè)備啟動正常；

3、熱啟動（關(guān)機后20min內(nèi)啟動），設(shè)備后很大概率不能啟動，間隔時間越短，啟動失敗的概率越大。

2原因分析

經(jīng)過多次的排查分析，我們找到了失敗的規(guī)律，使用示波器掛載在主芯片的VDD3.3V端，如果設(shè)備啟動時，芯片的VDD3.3V的電壓大于2V，則啟動100%失敗，如果VDD3.3V的電壓小于1V，則啟動100%成功。說明該主芯片啟動時，芯片的VDD不能有過高的電壓。

但是由于我們是工控產(chǎn)品，工控產(chǎn)品為了應(yīng)對浪涌以及電壓跌落，內(nèi)置的電容都較多，VDD3.3V上的總電容超過了500uF，當(dāng)產(chǎn)品掉電以后，負(fù)載變輕，電容的放電時間更長。

最初我們有考慮過增加放電電阻加快放電時間。但是帶來2個問題：

（1）、產(chǎn)品的功耗增加

（2）、功率增加影響掉電保存。

經(jīng)過廠家的連續(xù)攻關(guān)一個多月，問題依然無解；廠家也認(rèn)可是他們的問題，無耐技術(shù)能力有限，不過廠商提供了一個思路，該主芯片是基于平板電腦開發(fā)的，平板電腦上有一個開機按鍵power-on（對地短路），設(shè)備在關(guān)機時，長按超過1S，設(shè)備則開機，此時無需關(guān)注VDD電壓是否有電壓；在開機狀態(tài)時，長按超過6S，則設(shè)備強行關(guān)機。

3解決方案

經(jīng)過廠家的指引，我們只要設(shè)計一個電路，模擬人工開關(guān)機動作即可，要求如下：

1、在開機時，強制將Power-on引腳對地短路1S以上，無論是冷啟動還是熱啟動，為了留足余量，該時間設(shè)置為2S，設(shè)備啟動后2S后，將該引腳與地斷開，避免設(shè)備強行關(guān)機。

2、正常工作時，該引腳與地斷開，避免設(shè)備強行關(guān)機。

3、本次關(guān)機與下一次開機之間，超過1S（考慮人操作很少在1s內(nèi)開關(guān)機兩次），需要能正常啟動。

4、為了保證可靠性，不能用軟件實現(xiàn)；

經(jīng)過內(nèi)部的討論以及仿真，決定采用如下的方案：

S1模擬用戶的開關(guān)機

C點為控制芯片的開關(guān)機

D點模擬芯片的內(nèi)部的VDD電源。

1、用戶開機時，電流通過S1、R1、C1、R1，開機瞬間，電容相當(dāng)于短路，因此電容的下端即B點電壓為高電平，此高電平只要大于3.6V，即可以將mos管Q1打開，將C點進行對地短路，實現(xiàn)開機時進行對地短路的需求。

2、R1、R2構(gòu)成一個分壓電路，上電瞬間，C1的兩端電壓相等，都是12V，隨著C1被充電，C1的上端電壓被抬高，下端電壓被降低。

3、當(dāng)C1 的下端電壓降低到小于3.6V時，mos管關(guān)閉，C點電壓為高電平，即模擬按鍵開關(guān)斷開。

4、當(dāng)VCC24V掉電時，即S1連接到地，C1上的電容通過D2、D1進行放電，瞬間即可以將C1的電放完，避免下次上電時，由于C1上有過高的電壓，導(dǎo)致充電的時間較短。

仿真圖

理論計算過程：

電容的充電計算公式可以適用以下公式：t = RC*Ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]，其中的含義如下圖所示，經(jīng)過計算，按照上圖1中的參數(shù)計算，理論的第一次上電的延遲短路的時間為2.38S。實際仿真上電延遲短路的時間為2.5S，理論是仿真數(shù)據(jù)相當(dāng)。值得注意的是，第一次斷電時間1S后馬上上電，上電的延遲時間只有1.7S，比第一上電快很多，原因是第一次斷電后電容還有電，再次充電的時間不是從0開始，導(dǎo)致充電的時間變短，因此實際設(shè)計過程，應(yīng)該需要定義后兩次開關(guān)機的最快時間，本次最快設(shè)計為1S。

參數(shù)選擇

兩次開關(guān)機的上下電波形。

4總結(jié)

本次純硬件的方案模擬人工開關(guān)機，主要利用了RC充放電、MOS管開啟電壓約3.5V，二極管單向?qū)ǖ墓δ?，讀者在復(fù)用過程，還需要注意以下3點：

1、仿真沒有考慮二極管的漏電流，二極管的漏電流可達(dá)10uA，如果電阻R1、R2的值太大，二極管的漏電流不得不考慮，否則會嚴(yán)重影響理論計算和仿真。

2、Mos管是電壓導(dǎo)通型，對干擾很敏感。實際使用過程中，來自VCC24V的電取自電源端口，干擾非常大，因此最好經(jīng)過π型的高阻抗濾波，例如使用1500Ω以上的磁珠構(gòu)成π型濾波。

3、規(guī)格中必須定義兩次開關(guān)機的最短時間，時間太短的話，由于電容沒有放完電，會嚴(yán)重影響下次的充電時間。

審核編輯：湯梓紅