程萬前，阮 慧，郭少艾，郭月俊，王 彪

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2.中國科學院大學，北京100049)

LDO穩(wěn)壓器對嵌入式系統(tǒng)掉電保護作用的研究

程萬前1,2，阮 慧1,2，郭少艾1,2，郭月俊1,2，王 彪1

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2.中國科學院大學，北京100049)

針對嵌入式系統(tǒng)掉電保護的問題，對低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器對系統(tǒng)掉電保護的作用進行了研究。實驗以基于LPC2138的嵌入式系統(tǒng)為例，測試了壓降不同的3款穩(wěn)壓器對系統(tǒng)掉電后工作時間的影響。通過分析實驗數據，得出結論：低壓降的LDO線性穩(wěn)壓器相對普通的穩(wěn)壓器具有顯著的優(yōu)勢，系統(tǒng)掉電后，它能夠為系統(tǒng)提供更加充足的時間向外部存儲設備寫入重要信息。

LDO穩(wěn)壓器；掉電保護；嵌入式系統(tǒng)；LPC2138

嵌入式系統(tǒng)在工程中的應用廣泛，而電源部件是構成它的重要組成部分，其系統(tǒng)的掉電保護成為備受重視的問題[1-7]。國內對該問題的研究成果也比較豐富，目前工程中經常采用增加備用電源、使用專業(yè)掉電保護芯片等解決方案。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，在系統(tǒng)掉電后只需要保存數據的場合下，它是不必要的[8]；雖然使用專業(yè)掉電保護芯片能有效增加系統(tǒng)掉電后的工作時間，但是該方案會增加設計成本，使電路變得更加復雜。在實際應用中，往往只需要占用極短的時間在系統(tǒng)掉電后存儲一些重要數據，此時采用性能優(yōu)異的低壓差(low dropout,LDO)線性穩(wěn)壓器配合掉電檢測芯片，即可完成系統(tǒng)的掉電保護。

LDO線性穩(wěn)壓器是一種微功耗的線性穩(wěn)壓器，它具有低壓降、低噪聲、低功耗、小封裝等突出優(yōu)點，這使它廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)的設計中[9]。LDO線性穩(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，它的持續(xù)工作時間也比普通穩(wěn)壓芯片的時間長。

1 實驗設計

實驗設計如圖1所示，選取ARM7微處理器LPC2138作為測試芯片。供電電壓接入掉電檢測單元，輸出掉電信號接入LPC2138的外部中斷接口中。當系統(tǒng)掉電時，掉電檢測單元輸出低電平信號，觸發(fā)外部中斷。中斷觸發(fā)后，LPC2138產生高頻的方波輸出信號，直到系統(tǒng)無法工作為止。實驗中將輸出掉電信號、輸出方波信號和3.3 V供電電壓接入示波器，來觀察系統(tǒng)掉電后的工作過程。測試出的輸出方波信號的持續(xù)時間即為系統(tǒng)掉電后的工作時間。

圖1 實驗設計框圖

掉電檢測電路采用TPS3707設計完成。TPS3707是帶掉電檢測功能的處理器管理芯片，它內部包含一個電壓比較器，將PFI(4腳)輸入電壓與1.25 V基準電壓進行比較，并通過(5腳)輸出。當系統(tǒng)掉電時由于供電電壓降低，端輸出低電平。系統(tǒng)掉電檢測電路如圖2所示。

實驗選取3款LDO穩(wěn)壓器進行比較：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TI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，實驗采用臺灣固緯多功能線性直流電源供應器GPD-3303S，該電源最小分辨率可達1 mV/1 mA，通過旋轉編碼進行控制。

2 結果分析

3種穩(wěn)壓芯片的測試波形如圖3、圖4、圖5所示，圖中邏輯分析儀通道7為TPS3707的輸出信號，通道5為LPC2138的輸出方波信號，這兩路信號指示系統(tǒng)掉電后的工作時間；CH1為穩(wěn)壓器的輸出信號，它用于指示系統(tǒng)掉電后輸出電壓下降的過程。從中可以看出，采用LDO線性穩(wěn)壓器后，系統(tǒng)掉電后電壓下降的過程會明顯延緩。經過整理的測試數據如表1所示。采用AMS1117作為系統(tǒng)穩(wěn)壓芯片時，系統(tǒng)掉電后的工作時間在 4.4 ms左右，而采用更低壓降的 CAT6219、TPS7A4533后，系統(tǒng)掉電后的工作時間均在8 ms以上。通過實驗可以得出結論：采用低壓降的LDO降壓轉換器作為供電芯片，能夠有效延長系統(tǒng)掉電后的工作時間。

圖3 AMS1117實驗測試數據

圖4 CAT6219實驗測試數據

圖5 TPS7A4533實驗測試數據

表1 掉電檢測電路實驗數據 ms

3 功能測試

為了進一步測試電路的工作性能，設計進行了掉電時的存儲功能測試。使用LDO對系統(tǒng)進行掉電存儲，當中斷觸發(fā)時，LPC2138先向16 kB鐵電存儲器FM25CL16B寫入8字節(jié)數據。經過測試，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為向存儲器中寫數據的信號，4端為LPC2138的輸出方波信號。從中可以看出，向鐵電存儲器寫入8字節(jié)數據占用的時間極短，僅為130 μs。經過計算，采用AMS1117作為供電芯片可以使系統(tǒng)在掉電后寫入240字節(jié)左右的數據，而采用壓降為300 mV的低壓降LDO線性穩(wěn)壓器以后，系統(tǒng)可以在掉電后向存儲器寫入450字節(jié)以上的數據。

圖6 掉電后數據存儲實測波形

4 總結

采用低壓降的LDO線性穩(wěn)壓器可以明顯延長系統(tǒng)掉電后的工作時間，使得中央處理器能夠向存儲器中寫入更多的數據。由LDO線性穩(wěn)壓器結合掉電檢測芯片組成的掉電保護電路結構簡單，具有優(yōu)良的實用效果，可作為一個重要的組成部分應用到嵌入式系統(tǒng)當中。

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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

自然科學基金項目(61306060，61376070，61106047，BK2012188)

程萬前(1990—)，男，吉林省人，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式軟硬件系統(tǒng)。

王彪，E-mail：wb5996@163.com