DE69627589T2

DE69627589T2 - Unterspannungsdetektion für mikrocontroller

Info

Publication number: DE69627589T2
Application number: DE69627589T
Authority: DE
Inventors: L. Randy YACH
Original assignee: Microchip Technology Inc
Current assignee: Microchip Technology Inc
Priority date: 1995-01-05
Filing date: 1996-01-05
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2016-01-06
Also published as: JP2002189537A; US5606511A; KR0182099B1; WO1996021158A1; EP0759175A1; KR970701864A; JP3301615B2; EP0759175B1; JPH09510568A; DE69627589D1; EP0759175A4

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Halbleitervorrichtungen und insbesondere auf einen Halbleiter-Mikroprozessor oder Mikrocontroller mit einem Schutz gegen niedrige Versorgungsspannung.
Eine niedrige Versorgungsspannung an einem Halbleiter-Mikrocontroller-Chip (einer Vorrichtung), das heißt, eine Versorgungsspannung, die unter den akzeptablen Minimalwert oder Pegel fällt, der zum richtigen Betrieb des Chips oder des Endsystems (d. h. zur Vermeidung einer Fehlfunktion) nötig ist, kann für sensitive Anwendungen, wie zum Beispiel bei einem Automobil-Antiblockiersystem, besonders schwerwiegend sein. Aus diesem Grund haben Mikrocontroller-Chips typischerweise einen Unterspannungsschutz ("Brown-Out Protection"), d. h. einen Schutz nicht gegen einen vollständigen Energieverlust, sondern gegen eine Verringerung des Energieversorgungspegels, die zur Verursachung einer Fehlfunktion der Schaltung des Systems ausreicht. Anwendungen, die einen Unterspannungsschutz benötigen, sind allgemein Systeme mit einer gesteuerten Energieversorgung, und nicht batteriebetriebene Systeme.
Theoretisch sollte ein Unterspannungsschutz den Mikrocontroller-Chip oder das entsprechende System zu jeder Zeit rücksetzen, zu der V_DD unter den akzeptablen Minimalwert fällt. Dieser Minimal-V_DD-Wert wird jedoch von der Betriebsfrequenz der Vorrichtung oder anderen Systemeinschränkungen abhängen. Zum Beispiel kann der kritische Wert (V_DDmin) bei einer Betriebsfrequenz von 20 MHz 4,0 V und bei einer Betriebsfrequenz von 4 MHz nur 1,8 V sein.
Aus diesem und anderen Gründen können Unterspannungsanforderungen durch Marktüberlegungen beeinflusst sein, d. h. bestimmte Anwendungen, in denen die Vorrichtung eingesetzt werden soll. Anwendungen, die einen Unterspannungsschutz benötigen, fallen hauptsächlich in eine Vielzahl von Anwendungskategorien, wie zum Beispiel Geräte, industrielle Steuerungen und Automobilanwendungen. Betriebsfertige ("Plug-in") Geräte treffen während Leitungsspannungsabsenkungen auf Unterspannungssituationen. Periphere spannungsempfindliche Elemente werden zu dieser Zeit eine Fehlfunktion aufweisen, auch wenn das Gerät für seine Hauptfunktion vielleicht nicht eingeschaltet ist. Bei Automobilelektroniken treten Unterspannungssituationen auf, wenn die Zündung eingeschaltet ist. Zum Beispiel kann ein Autoradio gerade dann durch den Zündschlüssel eingeschaltet werden, während der Anlassermotor läuft, wodurch die Energieversorgung verringert wird. Die betroffene Vorrichtung muss rückgesetzt werden oder verbleibt sonst vielleicht in einem instabilen Zustand.
Eine Unterspannung ist nicht auf Niederspannungs-Batterieanwendungen anwendbar, bei denen Energieaufnahme, Betriebsfrequenz und Rauschen relativ minimal sind.
Die Unterspannung lässt sich dann für die Situation definieren, in der V_DD auf oder unter einen vorbestimmten Spannungspegelschwellenwert fällt. Da Mikrocontroller mit hohen Geschwindigkeiten arbeiten, ist es auch wichtig, eine echte Unterspannung von einem normalen I/O-Schaltrauschen zu unterscheiden, das bis zu 200 Nanosekunden (ns) dauern kann. Wenn unter den oben genannten Umständen zum Beispiel bei einer Versorgungsspannung von 5 V V_DD länger als 200 ns unter einen Pegel von 4,0 V fällt, sollte eine Unterspannungserfassung ein Rücksetzen des Chips auslösen.
Probleme entstehen jedoch in Situationen relativ flacher Absenkungen der Versorgungsspannung unter den vorbestimmten Spannungsschwellenpegel, ob als isolierte Abweichung oder eine Abfolge leichter Abweichungen von V_DD unter den Schwellenwert, wonach es dann wieder über diesen ansteigt. In diesen Fällen leitet, ob es sich dabei um Rauschen, I/O-Schalten oder andere Leitungsstörungen handelt, die Unterspannungserfassungsschaltung typischerweise beim ersten Auftreten ein sofortiges Rücksetzen des Mikrocontroller-Chips ein, und, wenn innerhalb eines bestimmten Zeitraums kein Wiederholungsfall eintritt, wird der Betrieb des Chips nach Verstreichen des bestimmten Zeitraums prompt wieder hergestellt. Dies führt natürlich auch dann zu einer Störung des Betriebs des Mikrocontrollers, wenn keine Rücksetzung notwendig ist. Wenn V_DD außerdem auf die Auslösespannung fällt und über einen längeren Zeitraum dort bleibt, kann es sein, dass die Schaltung oszilliert, was einen entsprechend instabilen Betrieb mit sich bringt.
EP 0 563 924 beschreibt eine Steuerungsvorrichtung zum Steuern einer Zentraleinheit (CPU) bei einem plötzlichen Spannungsabfall mit einer ersten Erfassungsschaltung zum Erfassen, wenn eine Versorgungsspannung unter einen ersten Schwellenwert fällt. Ein Wartesignal wird an die CPU geliefert, das die CPU von einem Betriebsstatus in einen Wartestatus versetzt, und ein Ausgleichskondensator wird entladen, der den Abfall ausgleicht. Eine zweite Erfassungsschaltung wird dazu verwendet zu erfassen, wenn die Versorgungsspannung unter einen zweiten niedrigeren Schwellenwert fällt, wobei die CPU rückgesetzt wird, wenn dieses Ereignis eintritt.
Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Unterspannungs-Erfassungsschaltung vorzusehen, welche das Wesen von Versorgungsspannungsabsenkungen analysieren und vorbestimmte Kriterien und eine Hysterese anwenden kann, um jedes Mal, da die Versorgungsspannung unter einen Schwellenwert fällt, festzustellen, ob eine Rücksetzung eingeleitet werden soll oder nicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Idealerweise sollte bei Mikrocontrolleranwendungen ein Unterspannungsschutz den Mikrocontroller immer dann rücksetzen, wenn die Versorgungsspannung unter einen vorbestimmen Wert fällt. Ein Unterspannungsschutz ist typischerweise auf Anwendungen anzuwenden, bei denen ein Mikrocontroller mit einer gesteuerten Energieversorgung und nicht mit einer Batterie verwendet wird, so dass der interessierende Spannungsbereich die Versorgungssystemspannung +/– einem Deltawert ist.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine in drei Abschnitte unterteilte, in CMOS-Technik hergestellte Unterspannungserfassungs- und -korrekturschaltung als Teil eines Mikrocontroller-Chips. Ein Abschnitt der Unterspannungsschaltung ist eine Spannungsreferenzschaltung, die eine präzise Spannungsreferenz liefert. Ein zweiter Abschnitt der Schaltung ist eine zweifache Komparatorschaltung, deren eines Eingangssignal die Spannungsreferenz und deren anderes Eingangssignal ein gefilterter Energieversorgungsabtastpegel ist. Die doppelte Komparatorschaltung ist für die Schaltungshysterese verantwortlich und verhindert, dass die Schaltung oszilliert. Der dritte Abschnitt umfasst einen Signalfilter- und Versorgungs-Nachführmechanismus, der zum Abtasten des Versorgungspegels und dafür verwendet wird festzustellen, ob die Unterspannung derart ist, dass ein Rücksetzen (Reset) durchzuführen ist.
Erfindungsgemäß weist dieser letzte Abschnitt der Unterspannungsschaltung einen eingebauten Sensor auf, der zum Herausfiltern der Tiefe der V_DD-Spitzen mit der Frequenz dient. Wenn eine Spitze unter dem vorbestimmten Schwellenpegel und sehr tief ist, verursacht die Unterspannungsschaltung, dass der Chip sofort rückgesetzt wird, was in Abhängigkeit vom Einschalt-Zeitgeber-Ablaufintervall geschieht. Wenn auf der anderen Seite eine Spitze relativ flach ist oder mit einer sehr hohen Frequenz auftritt, wird die Unterspannungsschaltung langsamer reagieren und folglich den Chip vielleicht gar nicht rücksetzen. Dies ist in einer Anwendung höchst wünschenswert, weil dadurch ein Rücksetzen der Vorrichtung aufgrund von Rauschen oder lediglich einer anderen kleinen Störung ausgeschlossen wird. Im Wesentlichen filtert die Schaltung normales Rauschen heraus, reagiert jedoch schnell zum Auslösen einer Rücksetzung, wenn eine echte Unterspannungssituation erfasst wird.
Wenn sich die Schaltung einmal im Rücksetzzustand befindet, verwendet die Schaltung eine Hysterese zum Ausschließen von Oszillationen und hält die Vorrichtung im Rücksetzzustand, bis die Energieversorgung zu einem normalen Betriebsspannungspegel zurückkehrt, zu welcher Zeit dann ein Einschaltungszeitgeber aufgerufen wird, um den Rücksetzzustand über ein festes Zeitintervall beizubehalten. Die Hysterese hilft dem zweifachen Komparator wesentlich bei der Unterscheidung eines echten Unterspannungsereignisses von normalem Rauschen oder anderen kleinen Störungen und wird durch eine zweifache Abtastung der Energieversorgung und durch die Feststellung eines Paares von Auslösepunkten zum Vergleich mit Abweichungen des Versorgungsspannungspegels erzielt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Mikrocontrollervorrichtung in einem Halbleiter-IC-Schaltungschip zum Steuern eines externen Systems hergestellt, mit dem die Vorrichtung in einer Schaltung zu installieren ist. Der Mikrocontroller enthält eine Zentraleinheit (CPU), einen Programmspeicher zum Speichern durch die CPU umzusetzender Programmbefehle, einen Datenspeicher zum Speichern von Daten, welche Daten enthalten, die sich auf Parameter des externen Systems beziehen, das durch den Betrieb der CPU gemäß den Befehlen zu steuern ist, und verschiedene Peripheriegeräte. Eine Unterspannungsschutzschaltung überwacht die Chip-Versorgungsspannungspegel im Verhältnis zu einem Massereferenzpegel und verursacht das Rücksetzen der Vorrichtung, um sie im Fall einer Verringerung der Differenz zwischen den Pegeln der Versorgungsspannung und der Massereferenz auf einen Wert, der kleiner als ein vorbestimmter Betriebsspannungsschwellenpegel ist, gegen Fehlfunktionen zu schützen. Das Rücksetzen veranlasst, dass der Betrieb der Vorrichtung eingestellt wird, während der Status Quo der Implementierung der Programmbefehle durch die CPU und im Datenspeicher gespeicherter Daten so beibehalten wird, wie er zum Zeitpunkt des Auftretens des Rücksetzens war.
Unterscheidungsmittel der Unterspannungsschutzschaltung unterscheiden zwischen einer Verringerung der genannten Spannungsdifferenz, die ein Unterspannungsereignis repräsentiert, das ein Rücksetzen der Vorrichtung rechtfertigt, und einer Verringerung, die eine lediglich vorübergehende Spannungsschwankung repräsentiert, die im Betrieb der Vorrichtung üblicherweise auftritt und das Aufrufen einer Rücksetzung der Vorrichtung nicht rechtfertigt. Folglich werden sowohl Fehlfunktionen als auch unnötige Rücksetzungen der Geräts während der Durchführung seiner Steuerungsfunktion am externen System vermieden. Die Unterscheidungsmittel enthalten Filtermittel zum verzögerten Ansprechen der Unterspannungsschutzschaltung auf jede Verringerung, welche die üblicherweise auftretenden vorübergehenden Spannungsschwankungen repräsentiert, um so die vorübergehende Spannungsschwankung abklingen zu lassen, bevor der normale Vorrichtungs-Betriebsspannungspegel wieder hergestellt wird.
Die Filtermittel enthalten Abtastfilter, die von der Chip-Versorgungsspannung ein Paar Abtastwerte ableiten, um in Reaktion auf Versorgungsspannungsfluktuationen im Verhältnis zum niedrigeren der Abtastwerte zu entscheiden, wann ein Rücksetzen aufgerufen werden sollte, und in Reaktion auf Versorgungsspannungsfluktuationen im Verhältnis zum höheren der Abtastwerte zu entscheiden, wann das aufgerufene Rücksetzen beendet werden sollte. Die zweifache Abtastung sieht auch Hysteresemittel vor, die an die Abtastfilter angeschlossen und so ausgelegt sind, dass sie auf einen Wert eingestellt werden, der sich auf das Paar Abtastwerte bezieht, um Oszillationen in der Schaltungsantwort zu entfernen. Ein Einschaltzeitgeber reagiert auf eine Versorgungsspannungsfluktuation zu einem zweiten Zeitpunkt, bei dem der andere Abtastwert feststellt, wann eine Rücksetzung beendet werden sollte, um die Vorrichtung über ein vorbestimmtes Zeitintervall im Rücksetzzustand zu halten, und stellt danach den Vorrichtungsbetrieb an einem Punkt wieder her, der dem Status Quo entspricht, zu dem die Rücksetzung ursprünglich aufgerufen wurde.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die obigen und noch weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und damit einhergehende Vorteile der Erfindung werden aus einer Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung der derzeit in Betracht gezogenen besten Art der praktischen Umsetzung der Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform ersichtlich, die zusammen mit den begleitenden Zeichnungen vorgestellt wird. Es zeigt:
1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Mikrocontrollerchips mit bestimmten Peripheriekomponenten, die einen Unterspannungsdetektor mit einschließen,
2 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Unterspannungs-Erfassungsschaltung zur Verwendung im Mikrocontroller von 1,
3A und 3B Kurvendarstellungen, die den internen Betrieb der Energieüberwachungsschaltung in der Mikrocontrollervorrichtung von 1 veranschaulichen,
4 eine Kurvendarstellung, die einen tiefen V_DD-Abfall und ein sofortiges Rücksetzen zeigt,
5A und 5B ein vereinfachtes Blockdiagramm bzw. ein etwas detaillierteres Schaltbild eines Signalfilters und einer Abtastschaltung, die im erfindungsgemäßen Unterspannungsdetektor verwendet werden,
6 eine Kurvendarstellung, die ein normales Masserauschen ohne Rücksetzung veranschaulicht, und
7 eine Kurvendarstellung, die veranschaulicht, wie eine Erhöhung des Massereferenzpegels eine Rücksetzung verursacht.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und Verfahren
In 1 enthält eine beispielhafte Mikrocontrollervorrichtung, welche die Prinzipien eines Unterspannungsschutzes gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, eine Zentraleinheit (CPU) 10, einen Programmspeicher 12, einen Datenspeicher 13 und verschiedene als Block 15 gezeigte Peripheriegeräte. Energie wird dem System von einer mit V_DD bezeichneten Quelle zugeführt. Eine Energieüberwachungseinrichtung 16, bzw. ein Unterspannungsdetektor, ist an die Energieversorgung angeschlossen, um den momentanen Pegel von VD_D zu beurteilen und, wenn dieser unter einen vorbestimmten akzeptablen Minimalwert fällt, die Situation zu erfassen und danach die Vorrichtung rückzusetzen. Wie jedoch schon dargelegt, hängt der Pegel von V_DD teilweise von der Frequenz der I/O-Schaltcharakteristiken der Vorrichtung ab.
Die Energieüberwachungsvorrichtung 16 ist daher so ausgelegt, dass sie auf eine Situation reagiert, in der V_DD über ein vorbestimmtes Zeitintervall unter den bezeichneten akzeptablen Minimalwert fällt, wobei das Zeitintervall von normal akzeptablen Rauschfrequenzen abhängt. Auch wenn die Unterspannungserfassung den Chip unter diesen Umständen rücksetzen sollte, ist es wichtig, eine Rücksetzung dann zu vermeiden, wenn Störungen von V_DD, die Rauschen oder UO-Schaltungsvorgängen zuzuschreiben sind, die den Spannungspegel momentan unter den Schwellenwert und dann gleich wieder auf oder über den Schwellenwert treiben. Die Energieüberwachungseinrichtung ist insbesondere so konstruiert, dass sie ein Rücksetzen der Mikrocontrollervorrichtung verzögert, die eine unnötige Störung oder Instabilität des Systembetriebs verursachen könnte.
Wie in 2 gezeigt, ist die Energieüberwachungseinrichtung eine Unterspannungserfassungs- und -korrekturschaltung, die drei Abschnitte umfasst, von denen einer ein präziser Spannungsreferenzgenerator 20 ist. Die präzise Referenzspannung wird auf ein stabiles Spannungsausgangssignal eingestellt, das an eine Komparatorschaltung 21 angelegt wird. Der Komparator und zugehörige Logikschaltungen sind so konstruiert, dass sie zu jeder bestimmten Zeit das präzise Referenzspannungsausgangssignal des Generators 20 mit einer entzerrten Abtastung des momentanen Pegels von V_DD vergleichen. Der Vergleich muss jedoch in einer Weise geschehen, die die genannten unnötigen und potentiell Fehler verursachenden Störungen oder Oszillationen des Systembetriebs nicht auslöst. Dies ist besonders in Anwendungen wichtig, bei denen aus einer solchen Störung oder Instabilität ein Personen- oder Sachschaden entstehen kann, wie zum Beispiel bei Antiblockiersystemen (ABS) in Automobilen.
Eine Energieabtastungs- und -filterschaltung 23 wird zum Messen und periodischen Abtasten des V_DD-Pegels, jedoch auch zum Herausfiltern von Spitzen verwendet, die V_DD unter den Referenzpegel bringen, und zum Durchführen der Filterfunktion gemäß den UO-Schaltungsfrequenzcharakteristiken des Mikrocontrollervorrichtungsbetriebs. Wenn im Betrieb ein tiefes Abfallen (negative Spitze) von V_DD in einer Spannungsabtastung auftritt, reagiert die Komparatorlogik von Schaltung 21 auf die Abweichung von der Referenzspannung zum Rücksetzen des Mikrocontrollers mit einem Ausgangssignal R1 auf der Grundlage zweier Abtastspannungen V1 und V2 aus der Schaltung 23. Eine Schaltung 24, an die das Ausgangssignal R1 angelegt wird, enthält einen Einschaltzeitgeber mit einem Zeitablaufintervall, das in zur Systemstabilisierung notwendiger Weise ausgewählt wurde. In Fällen, bei denen nur eine flache Spitze oder eine Reihe von Spitzen, die mit einer hohen Frequenz (im Verhältnis zu den Mikrocontroller-I/O-Schaltcharakteristiken) auftreten, erfasst wird, erzeugt die durch die Schaltung 23 durchgeführte Filterungsfunktion eine variabel langsamere Reaktion der Spannungen V1 und V2, so dass das Auslösen des Rücksetzens viel weniger wahrscheinlich ist, als wenn plötzliche tiefe Spitzen auftreten.
Eine Anzahl von Beispielen dieses Betriebs sind in den 3A und 3B gezeigt. Zum Oszillationsschutz wird ein Erfassungsbereich ausgewählt, der einen oberen und einen unteren Spannungsschwellenwert V1 bzw. V2 hat, was auf der Grundlage einer Deltadifferenz von einem Schwellenwert geschieht, der um eine bestimmte Spannung gegenüber dem normalen Spannungspegel V_DD verschoben ist. Eine Referenzspannung VRef wird als Vergleichswert verwendet. Für eine Versorgungsspannung von SV kann ein erlaubter Abfall zum Beispiel 0,1 V mit einem Deltawert von +/– 0,2 V sein. V1 wird dann so ausgewählt, dass sie VRef kreuzt, wenn V_DD = 4,2 V ist, und V2 wird so ausgewählt, dass sie VRef kreuzt, wenn V_DD = 3,8 V ist. Auf der Grundlage normaler Hochfrequenz-Rauschcharakteristiken für einen Mikrocontroller wird das vorbestimmte Verzögerungszeitintervall von 200 ns zum Einleiten einer Rücksetzung des Chips durch das Filter von der Zeit, da V_DD unter VRef fällt, bis zur Zeit, da V 1 unter VRef fällt, angewendet.
Dann wird der Chip in den Rücksetzzustand versetzt und dort gehalten, bis V_DD zu einem Pegel zurückkehrt, der eine Wiederherstellung der Energie anzeigt. An diesem Punkt wird der Einschaltungszeitgeber der Unterspannungserfassungsschaltung aufgerufen, um den Chip über ein Zeitintervall von 72 ms im Rücksetzzustand zu halten. Beim Beispiel von 3A wird dieses Ereignis vom Zeitpunkt an gemessen, da V_DD einen Pegel erreicht, bei dem V2 wieder VRef übersteigt.
Auf der anderen Seite zeigt das Beispiel von 3B, dass die vom Filter eingeführte V1/V2-Verzögerung dazu führt, dass schnell vorübergehende Störungen ignoriert werden. In diesem Fall wird der Chip nicht rückgesetzt.
Unter den in 4 gezeigten Umständen führt eine relativ tiefe Spitze in V_DD zu einem sofortigen Rücksetzen des Mikrocontrollerchips. Der Rücksetzzustand wird dann über ein Zeitablaufintervall von 72 ms aufrecht erhalten, nachdem die Energie auf einen Pegel wieder hergestellt wurde, der demjenigen in 3A entspricht, wobei V2 über VRef liegt.
Das Filternetz der Abtast- und Filterschaltung 23 ist in Blockdiagrammform in 5A gezeigt. Ein Paar Versorgungsfilter 30 und 31 liefern die Pegel V1 bzw. V2 an die Komparatorschaltung 21 (2). Die V_DD-Versorgungsspannung im Verhältnis zum Massereferenzpegel wird vom Versorgungsfilter 30 dazu verwendet, den Spannungspegel V1 zu erzeugen, und ein weiterer Spannungspegel V2 wird von der Kombination des Versorgungsfilters 31 und eines Hysteresefilters 33 erzeugt. Im Schaltplan von 5B wird die Spannung V 1 zwischen elektrischen Widerständen 36 und 37 aus drei Widerständen (der dritte ist Widerstand 38) abgegriffen, die in Reihe zwischen V_DD und Masse geschaltet sind, und ein Schaltungsknoten des Hysteresefilters ist bei einer Kapazitanz 39 an Masse angeschlossen. Der Spannungspegel V2 wird von einem Knoten zwischen Widerständen 37 und 38 abgegriffen, von denen eine weitere Kapazitanz 40 des Hysteresefilters an Masse angeschlossen ist. Die Schaltungen, in denen die beiden Kapazitanzen angeordnet sind, umfassen ein Paar angepasster RC-Filter. So ist ersichtlich, dass die Spannungen V1 und V2 mit jeder Fluktuation von V_DD variieren.
Da der Unterspannungsdetektor (die Energieüberwachungseinrichtung) 16 die Energieversorgung V_DD überwacht, überwacht sie auch automatisch den Massereferenzpegel, da Spannungen immer zwischen zwei Knoten gemessen werden. Dies kann unerwünscht sein, weil ein normales Masserauschen zu einer Rücksetzung der Mikrocontrollervorrichtung führen kann, doch verhindert die Abtast- und Filterschaltung 23 dies, da die an Masse angeschlossenen angepassten RC-Filter unter anderem dazu dienen, das normale Masserauschen herauszufiltern. Daher wird der gleiche Filterungsmechanismus für die Masseseite verwendet, wie er für die Versorgungsseite verwendet wird (d. h. die Schaltung von 5A (oder 5B) wirkt sich auf beide Seiten gleich aus), so dass der Massepegel ebenfalls abgetastet wird und den Chip nur dann rücksetzen darf, wenn die Pegeldifferenz zwischen V_DD und Masse kleiner als die Auslösespannung ist, die eine Rücksetzung auslösen würde (d. h. wenn V_DD – Masse = V_bo, wobei V_bo die Unterspannung ist).
6 veranschaulicht die Situation, bei der ein normales Masserauschen auftritt, da jedoch die Differenz zwischen V_DD und Masse nicht kleiner als V_bo ist, wird keine Rücksetzung durchgeführt. In 7 dagegen ist ein Punkt erreicht, bei dem ihre Differenz gleich (und schließlich kleiner als) die Auslösespannung wird, und an diesem Punkt tritt ein Rücksetzzustand auf.
Wenn der Mikrocontrollerchip im Rücksetzzustand ist, wirkt die Schaltung von 5A dank des Hysteresefilters 33 zum Dämpfen von Oszillationen und zum Halten des Chips im Rücksetzzustand, bis V_DD zu ihrem normalen Betriebspegel zurückgekehrt ist (d. h. V_DD – Masse > V_bo). An diesem Punkt wird der Einschaltzeitgeber 24 (2) in der Unterspannungserfassungsschaltung aufgerufen, um sein festes Zeitablaufintervall einzuleiten, um den Mikrocontroller im Rücksetzzustand zu halten. Wenn dieses Intervall abläuft (d. h. der Einschaltzeitgeber abläuft), wird der Chip aus dem Rücksetzzustand geholt. Auf diese Weise dient die Anwendung einer Hysterese zur Unterscheidung zwischen dem Auftreten eines echten Unterspannungsereignisses und dem Auftreten normalen Rauschens oder von vorübergehenden Schaltereignissen in der Energieversorgung (oder Massereferenz).
Die Hysterese wird aus einer Abtastung von V_DD durch zwei Versorgungsfilter erhalten, die Auslösepunkte zum Einleiten eines internen Rücksetzens (wenn V_DD so weit fällt, dass V1 < VRef ist) und zum Einleiten des Einschaltzeitgeberintervalls (wenn V_DD so weit steigt, dass V2 > VRef ist) erzeugt. Folglich verhalten sich die Auslösepunkte wie V1 > V_bo > V2. In der veranschaulichenden Ausführungsform der Erfindung kann, wenn die Unterspannung V_bo ungefähr 4,0 V ist, der Hysteresepegel (der nicht größer als V2 – V1 ist) ungefähr einen Wert von beispielsweise 0,1 V haben.
Auch wenn die beste Art der praktischen Umsetzung der Erfindung anhand einer derzeit bevorzugten Ausführungsform und eines entsprechenden Verfahrens beschrieben wurde, wird es dem Fachmann auf dem entsprechenden Gebiet ersichtlich sein, dass Variationen und Modifikationen ohne Weiteres vorgenommen werden können, ohne dass dadurch vom wahren Umfang der Erfindung abgewichen wird. Es ist demnach beabsichtigt, dass die Erfindung nur durch die nachfolgenden Ansprüche und die betreffenden Regelungen der anwendbaren Gesetze eingeschränkt ist.

Claims

In einem Integrierte-Schaltung-IC-Halbleiterchip hergestellte Unterspannungsschaltung für einen Mikrocontrollerbaustein zum Steuern eines externen Systems, mit dem zusammen der Baustein in einer Schaltung installiert werden soll, wobei das externe System eine zentrale Prozessoreinheit CPU (10), einen Programmspeicher (12) zum Speichern von durch die CPU (10) zu implementierenden Programmbefehlen, einen Datenspeicher (13) zum Speichern von Daten einschließlich von Daten, die zu Parametern des externen Systems gehören, welche durch den Betrieb der CPU (10) entsprechend den besagten Befehlen gesteuert werden sollen, Mittel zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung (V_DD) zum Betreiben des IC-Chips, aufweist, wobei besagte Versorgungsspannung (V_DD) durch einen Spannungspegel relativ zu einem Massereferenzpegel (GND) definiert wird, wobei die Unterspannungsschaltung Unterspannungsdetektionsmittel (16) zum Überwachen des Versorgungsspannungspegels relativ zum Massereferenzpegel (GND), um besagten Baustein zurückzusetzen als Schutz gegen dessen Fehlfunktionen als Reaktion auf das Herabsetzen einer arithmetischen Differenz zwischen dem Versorgungsspannungspegel und dem Massereferenzpegel (GND) auf einen Wert kleiner als ein vorbestimmter Betriebsspannungsschwellenpegel, aufweist, wobei ein Reset ein Betriebsende des Bausteins definiert während der Status Quo der Programmbefehlsimplementierung durch die CPU (10) und in dem Datenspeicher (13) gespeicherte Daten wie zur Zeit des Auftretens des Resets aufrechterhalten werden, wobei die Unterspannungsschaltung Trennungsmittel aufweist (23) zum Unterscheiden zwischen einer Reduktion stellvertretend für ein Unterspannungsereignis, welches das Auslösen eines Resets des besagten Bausteins gewährleistet, und einer Reduktion stellvertretend für reine Übergangsspannungsausschlägen, die gewöhnlich beim Bausteinbetrieb auftreten und die ein Auslösen eines Resets des besagten Bausteins nicht gewährleisten, wobei besagte Trennmittel Filtermittel (23) umfassen zum Verzögern der Reaktion der besagten Unterspannungsdetektionsmittel (16) auf jede Reduktion stellvertretend für besagte üblicherweise auftretende Übergangsspannungsausschläge, dabei einem Übergangsspannungsausschlag das Abklingen vor der Wiederherstellung des normalen Bausteinbetriebsspannungspegels gestattend, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Filtermittel (23) Abtastfilter (30, 31) miteinschließen, die an die Versorgungsspannungsmittel angeschlossen sind, um von besagter Versorgungsspannung (V_DD) ein Abtastwertepaar (V₁, V₂) zu erhalten zum Festlegen in Reaktion auf Versorgungsspannungsschwankungen bezogen auf einen der Abtastwerte, wann ein Reset ausgelöst werden soll, und in Reaktion auf Versorgungsspannungsschwankungen bezüglich des anderen der Abtastwerte, wann der aufgerufene Reset beendet werden soll.
Unterspannungsschaltung nach Anspruch 1, bei der besagte Filtermittel (23) zudem Hysteresemittel (33) umfassen, die mit besagten Abtastfiltern (30, 31) gekoppelt sind und dahingehend ausgelegt sind, auf einen auf das besagte Abtastwertepaar (V₁, V₂) bezogenen Wert eingestellt zu werden, um ein korrespondierendes Verzögerungsintervall zu einem ersten Zeitpunkt, an dem der besagte erste Abtastwert festlegt, wann ein Reset aufgerufen werden soll, zu hinzuzufügen.
Unterspannungsschaltung nach Anspruch 2, bei der die besagten Unterspannungdetektionsmittel (16) zudem Zeitgebermittel (24) umfassen, die auf eine Versorgungsspannungsschwankung bei einem zweiten Zeitpunkt reagieren, bei welchem besagter anderer Abtastwert festlegt, wann ein Reset beendet werden sollte, zum Halten besagten Bausteins im Resetzustand für ein vorgegebenes Zeitintervall und danach zum Wiederherstellen des Bausteinsbetriebs an einem Punkt, der mit dem Status Quo, an dem der Reset ursprünglich aufgerufen wurde, korrespondiert.
Unterspannungsschaltung nach Anspruch 1, bei der besagte Unterspannungsdetektionsmittel (16) zudem Zeitgebermittel (24) umfassen, die auf die Wiederherstellung des normalen Bausteinbetriebsspannungspegels folgend einem Reset des besagten Bausteins reagieren, zum Halten des besagten Bausteins in dem Resetzustand für ein vorgegebenes Zeitintervall und danach zum Wiederherstellen des Bausteinbetriebs von einem Punkt aus, der mit dem Status Quo, an dem der Reset ursprünglich aufgerufen wurde, korrespondiert.
Mikrocontrollerbaustein mit einem Mikroprozessor (10), Speicher (12, 13) und Peripheriegeräten (15) zum Steuern eines gesteuerten Systems und einer Quelle für eine Versorgungsspannung (V_DD) zum Betreiben des besagten Mikroprozessors (10), des Speichers (12, 13) und der Peripheriegeräte (15); des Weiteren mit Unterspannungsschutzmitteln (16) zum Überwachen der Versorgungsspannung (V_DD), um einen Reset des besagten Mikrocontrollerbausteins unter Verhinderung von dessen Fehlfunktion auszulösen, wenn der Versorgungsspannungspegel unterhalb eines vorgegebenen Betriebsspannungsschwellenpegels schwankt, wobei ein Reset ein Anhalten des Betriebs des Mikrocontrollerbausteins definiert, während der Status Quo des besagten Mikroprozessors (10), Speichers (12, 13) und der Peripheriegeräte (15) eingefroren wird am Punkt des Betriebshalts, wobei besagte Unterspannungsschutzmittel (16) Mittel (23) umfassen zum selektiven Deaktivieren der Reaktion besagter Unterspannungsschutzmittel (16) auf Versorgungsspannungspegelschwankungen, die andernfalls dazu tendieren, einen Reset des besagten Mikrocontrollerbausteins auszulösen, welche nur Rauschen oder Schaltübergängen, die normalerweise beim besagten Mikrocontrollerbausteinbetrieb auftreten, zuordenbar sind, wobei die besagten selektiven Deaktivierungsmittel Verzögerungsmittel (23) umfassen zum Verzögern der Reaktion auf Schwankungen, die Rauschen oder Schaltübergängen zuordenbar sind, um dabei die Wiederherstellung des normalen Bausteinbetriebsspannungspegels ohne Betriebsunterbrechung des besagten Mikroprozessors (10), des Speichers (12, 13) und der Peripheriegeräte (15) zu verbessern, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Verzögerungsmittel (23) Abtastfilter (30, 31) umfassen, die auf die Versorgungsspannung (V_DD) reagieren, um davon eine Vielzahl von Abtastwerten (V₁, V₂) zu erhalten zum Festlegen verschiedener Pegel der Versorgungsspannungsschwankungen, um einen Reset auszulösen und den Reset zu beenden.
Mikrocontrollerbaustein nach Anspruch 5, bei dem besagte Abtastfilter (30, 31) zudem Hysteresemittel (33) umfassen, welche elektrisch mit den Abtastfiltern (30, 31) verbunden sind zum Versetzen beider Abtastwerte (V₁, V₂) um einen variablen Betrag, um entsprechend die Resetauslösung zu verzögern.
Mikrocontrollerbaustein nach Anspruch 6, bei dem die besagten Unterspannungsschutzmittel (16) zudem auf einen der verschiedenen Pegel der Versorgungsspannungsschwankung zum Beenden eines Resets reagierende Zeitgebermittel (24) umfassen zum Halten des besagten Mikrocontrollerbausteins im Resetzustand für ein vorbestimmtes Zeitintervall und danach zum Wiederherstellen des Bausteinbetriebs an einem Punkt, der mit dem Status Quo, an dem der Betrieb angehalten wurde, korrespondiert.
Verfahren zum Betreiben einer Unterspannungsschaltung in einem in einem Integrierten-Schaltkreis-IC-Halbleiterchip hergestellten Mikrocontrollerbaustein zum Steuern eines externen Systems, mit dem der Baustein in einer Schaltung installiert werden soll, mit einer zentralen Prozessoreinheit CPU (10), einem Programmspeicher (12) zum Speichern von in der CPU (10) zu implementierenden Programmbefehlen, einem Datenspeicher (13) zum Speichern von Daten einschließlich Daten die sich auf Parameter des externen Systems beziehen, das durch den Betrieb der CPU (10) gemäß besagter Befehle gesteuert werden soll, Mitteln zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung (V_DD), um den IC-Chip zu betreiben, wobei die Versorgungsspannung definiert wird durch einen auf einen Massereferenzpegel (GND) bezogenen Spannungspegel; wobei das im Baustein implementierte Unterspannungsschutzverfahren umfasst die Schritte des Überwachens des Versorgungsspannungspegels bezogen auf den Massereferenzpegel (GND), um besagten Baustein zurückzusetzen als Schutz gegen dessen Fehlfunktion in Reaktion auf die Reduktion einer arithmetischen Differenz zwischen dem Versorgungsspannungspegel und dem Massereferenzpegel (GND) auf einen Wert kleiner als einen vorbestimmten Betriebsspannungsschwellenpegel, wobei ein Reset ein Beenden des Betriebs des Bausteins definiert, während der Status Quo der Implementierung der Programmbefehle durch die CPU (10) und der in dem Datenspeicher (13) gespeicherten Daten aufrechterhalten wird, und des Trennens zwischen einer Reduktion, die stellvertretend ist für ein Unterspannungsereignis, das das Auslösen eines Resets des besagten Bausteins gewährleistet, und einer Reduktion, die stellvertretend ist für reine Übergangsspannungsausschläge, die üblicherweise beim Bausteinbetrieb auftreten und die ein Auslösen eines Resets des besagten Bausteins nicht gewährleisten, wobei der Schritt des Trennens das Verzögern der Reaktion auf jede Reduktion, die stellvertretend ist für besagte üblicherweise auftretende Übergangsspannungsausschläge, miteinschließt, dabei einem Übergangsspannungsausschlag erlaubend, vor einer Rückkehr zum normalen Bausteinbetriebsspannungspegel abzuklingen, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Verzögerns umfasst das Erhalten eines Abtastwertepaares (V₁, V₂) von der besagten Versorgungsspannung zum Feststellen in Reaktion auf die Versorgungsspannungsschwankungen bezüglich einem der Abtastwerte, wann ein Reset aufgerufen werden soll und in Reaktion auf Versorgungsspannungsschwankungen bezüglich dem anderen der Abtastwerte, wann der aufgerufene Reset beendet werden soll.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt des Verzögerns zudem das Verwenden einer Hysterese umfasst, um ein korrespondierendes Verzögerungsintervall zu einem ersten Zeitpunkt, bei dem der besagte eine Abtastwert festlegt, wann ein Reset aufgerufen werden soll, hinzuzufügen.
Verfahren nach Anspruch 9, zudem, in Reaktion auf eine Versorgungsspannungsschwankung bei einem zweiten Zeitpunkt, an dem der andere Abtastwert festlegt, wann ein Reset beendet werden soll, mit dem Schritt des Haltens besagten Bauteils im Resetzustand für ein vorbestimmtes Zeitintervall und danach des Wiederherstellens des Bauteilbetriebs an einem Punkt, der mit dem Status Quo korrespondiert, bei dem der Reset ursprünglich ausgelöst wurde.
Verfahren nach Anspruch 8 mit dem Antworten auf die Wiederherstellung des normalen Bauteilbetriebsspannungspegels auf einen Reset des besagten Bauteils zum Halten besagten Bauteils im Resetzustand für ein vorbestimmtes Zeitintervall, und danach Wiederherstellen des Bauteilbetriebs von einem Punkt aus, der mit dem Status Quo korrespondiert, an dem der Reset ursprünglich ausgelöst wurde.