集成NV RAM的微控制器设计指南

本应用笔记将帮助达拉斯半导体安全微控制器和高速微控制器的用户在实现非易失性SRAM时提高可靠性。本笔记适用于安全和高速安全微控制器系列以及DS87C530高速微控制器。超出容差的电压尖峰、保护I/O引脚和负电源瞬变将在本应用笔记中讨论。

概述

采用电池供电的非易失性SRAM（NV RAM）的微控制器已在嵌入式市场中得到广泛认可。与闪存或EEPROM技术不同，非易失性SRAM没有写入限制，这使其成为实时数据记录应用的理想选择。在达拉斯半导体安全微控制器系列等产品中，NV RAM可用于提供系统内可重新编程的程序存储器。

本应用笔记讨论了集成NV RAM的微控制器产品的设计指南。提出了许多设计建议，以提高集成NV RAM的微控制器的可靠性。应该强调的是，只要使用标准CMOS设计指南，电池备份存储器与非易失性存储器一样可靠。本应用笔记适用于安全微控制器和高速安全微控制器系列产品以及DS87C530高速微控制器。

超出容差的电压尖峰

现实世界是一个严酷的地方;静电放电（ESD）、电噪声等可以进入系统。其中许多现象会在一个或多个器件引脚上感应负电压。CMOS设计指南要求引脚不得高于V值抄送或低于 V党卫军.违反此准则可能会导致硬故障（损坏设备内部的硅）或软故障（无意修改内存内容）。

负电压尖峰是CMOS器件的一个特殊问题。当出现负电压尖峰时，器件内的一个或多个寄生二极管可能会正向偏置。这将导致设备消耗大量电流，并可能导致设备闩锁。通常，扭转CMOS闩锁的唯一方法是断开器件的电源。如果器件的供电不受限制，则过大的电流消耗会对器件造成无法弥补的损坏。

不太严重，但同样麻烦的是这可能对非易失性存储器产生的影响。当寄生二极管形成时，将形成高电流路径。这会将电流从器件中排出，并可能导致电压在内部骤降。如果内部电压降至维持存储器所需的最小值以下，则可能会遇到软错误。

在实际应用中，通常很难或不可能消除所有高于V的电压抄送或低于 V党卫军.实际上，大多数器件可以容忍0.3V的过冲或下冲。以下案例讨论了此类情况的常见原因以及将其对系统的影响降至最低的方法。

保护 I/O 引脚

器件遇到负电压尖峰的最常见方式是通过其通用I/O引脚。这些通常是微控制器与“外部世界”的唯一联系。电动机和键盘等设备会产生大量电噪声。例如，触摸门把手时所经历的冲击可能高达 30kV。如果该电压从键盘传输到微控制器系统，则会严重损坏电子元件。

图1显示了可用于保护微控制器I/O引脚的二极管保护方案。该方案依赖于使用肖特基二极管和限流电阻来降低电流尖峰对器件的影响。当接近器件引脚的电压超过V时抄送或 V党卫军超过0.1V - 0.2V时，肖特基二极管将变为正向偏置，将多余的电压从器件引脚传导出去。限流电阻还有助于抑制电压尖峰对微控制器的影响。

图1.外部 I/O 保护方案。

必须仔细选择图1所示的保护二极管。大多数肖特基二极管，如流行的1N5817，都适用于室温。然而，在高温下，它们的反向偏置泄漏将开始加载I/O线，使器件难以驱动逻辑1。例如，DS87C520可以驱动逻辑1，最大电流为50μA。在室温下，典型 1N5817 的反向漏电流为 30μA。然而，在70°C时，反向漏电流大于100μA。微控制器将无法提供足够的电流来维持2.4V的高CMOS逻辑。

任何使用的肖特基二极管的漏电流都应远低于源极器件的最大驱动电流。许多供应商都提供具有低反向漏电流的二极管。

负电源瞬变

电压尖峰的另一个来源是电源。许多简单的稳压器，如7805 5V稳压器，在上电时会产生电压尖峰而臭名昭著。在设计电源时必须小心，以免在上电或将负载进出系统时产生过多的噪音。

通过在V两端使用反向偏置肖特基二极管可以减少电源瞬变问题抄送和 GND，类似于用于保护 I/O 引脚的接地。图 2 显示了一个这样的方案。

图2.稳压器保护方案。

审核编辑：郭婷