¿Qué es el reinicio de Brown Out en los microcontroladores? Cómo prevenir falsos apagones

El reinicio de Brown Out es una función importante para aumentar la confiabilidad de un microcontrolador después de la puesta en marcha. Normalmente se utiliza para resolver problemas con la fuente de alimentación, este artículo muestra cómo el restablecimiento de Brown Out puede prevenir otro problema.

Revisión del restablecimiento de la caída de tensión

Un "apagón" de un microcontrolador es una reducción parcial y temporal en el voltaje de la fuente de alimentación por debajo del nivel requerido para un funcionamiento confiable. Muchos microcontroladores tienen un circuito de protección que detecta cuando la tensión de alimentación desciende por debajo de este nivel y pone el dispositivo en un estado de reinicio para garantizar un arranque adecuado cuando vuelve la energía. Esta acción se denomina "Restablecimiento por caída de tensión" o BOR. Una característica similar se llama Detección de bajo voltaje (LVD), que es más compleja y agrega detección de múltiples niveles de voltaje y puede producir una interrupción antes de que se active un reinicio.

BOR a menudo se habilita mediante un bit en un registro de control. Normalmente, se establece un bit de estado cuando el BOR provoca un restablecimiento. Este bit de estado sobrevive al reinicio (¡si la energía no baja demasiado!) Y permite que el programa detecte el problema y realice una recuperación adicional o registre el evento.

¿Qué sucede si el BOR está desactivado? Aquí hay una descripción de un voltaje de fuente de alimentación que cae constantemente. Quizás se trate de una fuente de alimentación que se está deteriorando o una batería descargada.

V1 es la tensión de alimentación normal. V2 es el punto donde el microcontrolador puede no funcionar de manera confiable. Muestro V3 como un punto donde la operación se detiene por completo. Entre V2 y V3 hay una "zona de peligro" donde las cosas pueden salir mal y la operación no es confiable. El dispositivo podría funcionar correctamente durante años mientras la fuente de alimentación entra y sale de la zona de peligro y luego, ¡bam !, hay una falla. El nivel de BOR se establece por encima de V2 y reemplaza la zona de peligro con un reinicio del dispositivo. El reinicio no es bueno, pero (generalmente) mejor que incierto.

A continuación, relato una situación en la que la fuente de alimentación funcionó normalmente pero se usó BOR para resolver un problema diferente.

Encontrar otro uso para el reinicio por apagón (por las malas)

Diseñé un circuito que contiene un microcontrolador PIC y 18 reguladores de voltaje en un módulo que controla la alimentación de + 5V a 18 sensores de luz. Doce módulos controlaron los 204 sensores en una matriz. Los módulos son parte de un sistema de Óptica Adaptativa en un gran telescopio astronómico en Mauna Kea en Hawai. Aquí está el interior de un módulo.

Imágenes cortesía del Telescopio Subaru

El microcontrolador está cerca del centro del tablero y los 18 reguladores de voltaje lineal están montados en las paredes del gabinete. Los módulos y sensores están montados en placas enfriadas por agua para alejar el calor del banco óptico que se encuentra sobre la matriz de sensores. Los pulsos de los sensores de luz van al módulo donde se convierten en señales diferenciales, RS-485 y salen en el conector en la parte superior central de la imagen. Además, hay señales de control RS-485 que entran en el módulo. Todas las señales RS-485 se conectan a circuitos en un chasis a unos 10 metros de distancia. Un punto importante es que todos los circuitos de un módulo funcionan con el mismo suministro de + 5V.

Aquí hay un primer plano del microcontrolador y los controladores y receptores de línea RS-485 que son fundamentales para el problema. El conector modular negro es una interfaz en serie asíncrona que agrega dos señales de E / S RS-485 más.

Los módulos pasaron por pruebas exhaustivas en el banco. ¡No hay problemas! Pasaron meses de pruebas del sistema en el laboratorio. ¡Perfecto! El gran evento fue la primera prueba en el telescopio. ¡Fallar! Se perdió la comunicación en aproximadamente la mitad de los módulos cuando se apagó y se volvió a encender la alimentación. Conecté el depurador y encontré el microcontrolador ejecutándose y ejecutando código, pero había variables dañadas y la interfaz serial no funcionaba. Muy extraño.

Primero, quiero decir que depurar en medio de la noche a una altitud de 13.589 pies (4.138 metros) con una temperatura del aire de 40 ° F (4 ° C) no es divertido. Sin embargo, sigamos adelante. Aquí hay un diagrama que muestra el problema.

En el lado derecho está el módulo con receptores de línea RS-485 conectados al microcontrolador y al suministro de + 5V. En el lado izquierdo hay controladores de línea en el otro extremo del cable que siempre están encendidos. En realidad, hay controladores y receptores que van en ambas direcciones, pero lo estoy simplificando. Cuando la alimentación del módulo (VCC) estaba apagada, los controladores de línea y los receptores remotos todavía estaban encendidos (VDD). Las señales actuaron como fuentes de energía y encontraron su camino a través de los dispositivos de interfaz del módulo y directamente a la alimentación de + 5V oa través del circuito de protección ESD en los pines del microcontrolador. Había suficiente energía para evitar que el microcontrolador se apagara por completo y el dispositivo se encontraba en la zona de peligro.

Cuando se encendió el módulo, el microcontrolador no se inició con una secuencia normal de reinicio de encendido. Comenzó a funcionar pero con problemas. ¿Por qué esto no apareció durante las pruebas anteriores? ¿Recuerdas los platos enfriados por agua? El refrigerante del telescopio estaba bastante más frío que el refrigerante del laboratorio. Mi teoría es que la temperatura más baja fue suficiente para exponer el problema en algunos de los módulos.

La solución fue fácil. Agregué una declaración en el código para habilitar BOR y el problema se resolvió. Por cierto, me tomó mucho más tiempo escribir el informe y convencer al gerente del proyecto de que todo estaba bien de lo que tardé en solucionar el problema.

Falso apagado

Aquí hay un diagrama que muestra el problema general.

Cuando se apaga la fuente de alimentación, el voltaje no desciende por completo. En cambio, otras fuentes de energía mantienen la tensión de alimentación en la zona de peligro. Una descripción de este voltaje es "Falsa potencia". No hay BOR para detectar esta condición y provocar un reinicio. Es posible que el dispositivo no siga la secuencia de encendido normal cuando se encienda de nuevo porque es posible que el circuito de reinicio de encendido no se active. La operación posterior es incierta porque la fuente de alimentación cayó por debajo del mínimo y no hay reinicio.

En mi caso, el microcontrolador era un Microchip PIC16F877-20I / L. Esta pieza es la versión industrial con un rango de temperatura de funcionamiento de -40 ° C a + 85 ° C. Con un reloj de 16 MHz, el rango de la fuente de alimentación es de + 4.0V a + 5.5V. El voltaje de funcionamiento dentro del módulo (V1) era sólido como una roca + 5V. El voltaje de potencia falsa en el microcontrolador (V2) era de aproximadamente + 1,5 V cuando se operaba en el telescopio . No lo medí en el laboratorio porque no había ningún problema y no sabía verificarlo. Además, nunca tuve la oportunidad de verificarlo con las condiciones del laboratorio porque el sistema nunca bajó del telescopio.

Hay otras dos especificaciones relevantes. El "Voltaje de retención de datos de RAM" (\ [V_ {DR} \]) es + 1,5 V, " típico ”. El "voltaje de inicio VDD" (\ [V_ {POR} \]) para asegurar un reinicio de encendido interno es 0V, " típico ”. Doblar todo esto me dice que el dispositivo estaba dentro de la zona de peligro. No se puede esperar un reinicio de encendido porque el voltaje estaba muy por encima de \ [V_ {POR} \]. Además, no había ninguna expectativa de que False Power mantendría vivo el dispositivo ya que False Power estaba en el voltaje de retención de RAM (\ [V_ {DR} \]). ¿Quién sabe qué estaba haciendo el resto del dispositivo?

¿Por qué se solucionó el problema al encender BOR? La especificación del disparador de restablecimiento de caída de tensión (\ [V_ {BOR} \]) es un rango de + 3,7 V a + 4,35 V con un valor típico de + 4,0 V. El nivel de potencia falsa está muy por debajo del voltaje de activación para BOR. Problema resuelto. Sin embargo, todavía existe el misterio de por qué los microcontroladores funcionaron en el laboratorio y operaron normalmente con muchos, muchos ciclos de energía.

Conclusión

Encontré una descripción de esta situación al final de una nota de aplicación de Microchip (AN607) que lo llama un "Falso Apagado". No lo he encontrado documentado en ningún otro lugar.

El Falso Poder puede provenir de fuentes como:

• Señales externas (mi caso)
• Varias fuentes de alimentación en un circuito
• Los condensadores tardan en descargarse por completo

Parece que una fuente de alimentación falsa lo suficientemente alta aplicada directamente a un pin GPIO y la entrada al dispositivo a través del circuito de protección ESD podría causar problemas, incluso cuando BOR está habilitado . Además, para diseños de muy baja potencia, existe una razón para no usar BOR en absoluto, ya que consume una cantidad significativa de energía en comparación con los modos de suspensión profunda de algunos dispositivos. Mi conclusión es que BOR y su sucesor, LVD, solo se están volviendo más complicados y False Power les da a los diseñadores una cosa más a considerar en esta parte complicada de sus diseños.