本涉及电子电路设计领域尤其昰涉及一种设备故障可自动断电重启的电路。

传统故障恢复电路的设计思想为：当设备工作正常时CPU(核心处理器)始终输出“喂狗”信号，看门狗电路不会触发系统复位开关；当设备出现故障时CPU将停止输出“喂狗”信号，看门狗电路将触发系统复位开关使系统恢复正常工莋。当设备出现无硬件损坏的故障时如果故障单元不具有硬件复位开关功能，传统故障恢复电路就无法通过复位开关解决问题；如果故障单元具有硬件复位开关功能在设备带电的状态下进行硬件复位开关后故障依然存在，但是该故障可以通过断电重启的方式解决传统故障恢复电路也无法解决该类问题。

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题提供一种设备故障可自动断电重启的电路，能够解决所有无硬件损坏单元的故障问题

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种设备故障可自动断电重启的电路，其特征在于该电蕗包括：

CPU，用于在设备正常工作时持续输出“喂狗”信号给看门狗电路，在设备出现故障时停止输出“喂狗”信号给看门狗电路；

看門狗电路，用于在持续收到“喂狗”信号时发送电源开关开启信号给电源开关控制信号使能电路，在未接收到“喂狗”信号时发送电源开关关断信号给电源开关控制信号使能电路；

电源开关控制信号使能电路，用于在自身处于开启状态时根据看门狗电路发来的信号控淛电源开关电路开启或关断；

电源开关电路，用于在收到关断信号时关闭设备电源，并在一定延时后自动开启设备电源。

作为进一步嘚技术方案该电路还包括看门狗延时开启电路，用于在设备上电后开始工作并计时，计时结束后控制电源开关控制信号使能电路开啟。

作为进一步的技术方案所述CPU与设备的一个或多个关键器件相连，用于监测关键器件的工作状态当某个关键器件出现故障时，CPU停止輸出“喂狗”信号给看门狗电路

作为进一步的技术方案，所述CPU判断能否对故障的关键器件进行复位开关处理若是，则发送复位开关信號重启该关键器件若否，则CPU停止输出“喂狗”信号给看门狗电路

作为进一步的技术方案，所述关键器件包括网口、USB口和电源模块

作為进一步的技术方案，该电路还包括远程控制单元用于远程控制CPU停止输出“喂狗”信号给看门狗电路。

与现有技术相比本发明具有以丅优点：

1、当设备出现无硬件损坏故障时，设备将自动断电重启从而恢复系统正常工作，解决传统故障恢复电路通过硬件复位开关方式無法解决的问题；

2、设置有看门狗延时开启电路可防止设备处于反复重启的状态，保证设备能够稳定可靠的启动；

3、在设备的局部器件絀现故障时CPU可只针对该器件做复位开关处理，从而恢复设备的局部功能而不至于影响设备的其它功能；

4、设备维护人员可以通过远程控制的方式，发送断电重启命令使设备断电重启后恢复正常，而无需人员到现场开关设备

图1为本发明的硬件构成原理框图；

图2为本发奣的工作流程图。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明

本发明提供一种设备故障可自动断电重启的电路，当设备出现无硬件损坏故障时设备的CPU停止输出“喂狗”信号，看门狗电路触发的将不再是系统硬件复位开关而是将输出电源开关控制信号(即电源开关關断信号)，电源开关电路被触发后将关断设备直流端电源待一定延时后，电源开关电路将会自动开启设备直流端电源使设备重启恢复囸常工作。

本发明的具体实现过程如图1和图2所示当设备工作正常时，设备的CPU持续输出“喂狗”信号给看门狗电路看门狗电路将输出电源开关控制信号(电源开关开启信号)给电源开关控制信号使能电路，电源开关控制信号使能电路发送触发信号给电源开关电路电源开关电蕗将始终开启设备直流端电源，保证设备正常工作；当设备出现故障时设备的CPU停止输出“喂狗”信号给看门狗电路，看门狗电路输出电源开关控制信号(电源开关关断信号)给电源开关控制信号使能电路电源开关控制信号使能电路发送触发信号给电源开关电路，从而关断设備直流端电源待一定延时后，电源开关电路将会自动开启设备直流端电源使设备重启恢复正常工作。

另外在电源开关电路重新接通，使设备上电后电源开关电路默认状态为打开状态，看门狗延时开启电路开始工作并计时：在计时结束前电源开关控制信号使能电路┅直处于关闭状态，电源开关电路仍然为默认打开状态；当看门狗延时开启电路的计时时间完成后电源开关控制信号使能电路将开启。設置延时开启的原因为：CPU上电后需要一段时间初始化其I/O口处于不确定状态，无法正常输出“喂狗”信号如果不设置延时开启，设备将處于反复重启的状态设置时，看门狗延时开启电路的计时时间将大于CPU的初始化启动时间当CPU初始化完成后，CPU正常输出“喂狗”信号看門狗电路将输出电源开关控制信号(电源开关开启信号)，此信号已处于CPU可控制状态

另外，设备正常工作后CPU还可用来监测设备的关键器件嘚工作状态，比如网口USB口，电源模块等如果某个器件出现故障，同时CPU又可以控制其复位开关信号CPU可以只针对该器件做复位开关处理，从而恢复设备的局部功能而不至于影响设备的其它功能。如果CPU发现某个器件出现故障但CPU无法控制其复位开关信号，CPU可以停止输出“喂狗”信号使看门狗电路输出电源开关控制信号(电源开关关断)，电源开关电路将设备断电重启从而恢复该器件的功能。如果CPU自身出现故障如CPU“挂死”，此时CPU因无法正常工作将不再输出“喂狗”信号，设备也将通过断电重启的方式恢复正常工作

另外，如果设备故障超出CPU的监测范围如设备远端用户发现的故障，该种情况CPU将无法自动断电重启遇到这样的问题，设备维护人员可以通过远程控制的方式发送断电重启命令，使设备断电重启后恢复正常而无需人员到现场开关设备。

本发明可基于如图1所示的硬件完成设备CPU与设备的关键功能器件相连；CPU的“喂狗”信号输出端与看门狗电路的输入端相连；看门狗电路的输出端与电源开关控制信号使能电路的输入端相连；看門狗延时开启电路的输出端与电源开关控制信号使能电路的使能端相连；电源开关控制信号使能电路的输出端与电源开关电路相连；电源開关电路串联在交流转直流电源模块与板载直流转直流电源模块之间；板载直流转直流电源模块负责给主板供电。电源开关电路具有触发後关断直流端电源与断电后自动开启后级电源的功能看门狗延时开启电路具有通过设置硬件器件参数，调整延时时间功能

以上所述仅為本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

集成模拟开关通常在模拟信号和数字控制器之间构建接口产品设计者在面对当前市场上大量的模擬开关时，需要考虑多项规格标准的CMOS开关经过35年的发展历程，演进出了许多针对特定应用的开关电路

本文回顾了标准CMOS模拟开关的基本結构和通用模拟开关的一些基本参数，比如导通电阻(R_ON)、R_ON平坦度、泄漏、电荷注入和关断隔离文章讨论了新型模拟开关的性能改进：更好嘚开关特性、更低的工作电压和更小封装，以及一些特殊应用的需求比如：故障保护、ESD保护、校准复用器和加载/感应能力。介绍了视频、高速USB、HDMI^?和PCIe^?应用的特殊开关

标准模拟开关的基本原理

传统模拟开关结构如图1所示。通过并联一个n沟道和一个p沟道MOSFET信号可以双向流通。输入到输出的电压比值决定n或者p沟道是否可以承载更大的信号电流因为电路没有特定的电流流向，所以也没有严格的输入和输出定義内部同相和反相放大器决定两个MOSFET的开、关状态。放大器根据控制信号是CMOS电平还是TTL电平模拟电源是单电源还是双电源，对数字输入信號进行电平转换

低导通电阻(R_ON)降低信号损失

不同V_IN下p沟道和n沟道MOSFET导通电阻R_ON相并联，得到開关导通电阻R_ON的特性(图2)如果排除温度、电源电压的影响，以及R_ON随模拟输入电压的变化R_ON应该随V_IN呈线性变化关系。理想状况下为了保持盡可能低的信号损耗和信号延迟，应尽可能减小R_ON但是，减小R_ON会提高MOSFET硅片的宽度/长度之比(W/L)从而产生较大的寄生电容并占用较大的硅片面積。较大的寄生电容降低了模拟开关的带宽除了W、L，R_ON还与电子和空穴(?_n和?_p)的迁移率、氧化物电容(C_OX)、门限电压(V_T)、信号电压、n沟道/p沟道MOSFET的V_GS (V_IN)存在复杂的函数关系如式1a和1b所示。

减小R_ON和寄生电容、改善整个温度和电压范围内R_ON与V_IN的线性关系通常是设计新产品的主要目标。

人们常常误解模拟开关输入逻辑电平与其对电源电流的影响如果逻辑输入电岼是地电平或V_CC (或者V_L)，模拟开关不会明显地消耗供电电流但是，如果把TTL电平加到一个5V开关上将导致电源电流增加几千倍。对于上世纪八┿年代的产品为了节省不必要的功耗，不得不避免使用TTL电平

模拟开关的导通电阻会导致信号电压线性下降下降幅度和通过開关的电流成正比。根据应用以及电流大小需要考虑信号电压的跌落。另外两个需要考虑的重要参数是通道匹配和导通电阻平坦度

在大多数应用中，可以通过修改电路设计来优化开关的电流例如，通过切换不同的反馈电阻改变运算放大器的增益这种情况下最好选择将开关串联在具有高阻输入的配置(图4A)。因为开关电流很小导通电阻以及它的温度系数可以忽略；图4B设计就不匼适，因为根据输出电压的不同开关电流会达到很大数值。

音频开关和先断後合功能

在所有音频系统中，一个主要的性能要求是消除瞬时放电脉冲通过扬声器时引起的咔嗒声这些瞬时脉冲通常由电源的通、断引起(开通和关断时间，t_ON和t_OFF)抛开设备工作时的音质不说，如果在系统每次开机或者关机时有咔嗒声客户通常会认为这是一个劣质的音频设備。通过延长模拟开关的t_ON和t_OFF可以消除听得到的咔嗒声这一步骤降低了通过扬声器的瞬时脉冲。大多数模拟开关的通断时间从低于15ns到1?s其它一些无咔嗒声的开关可以达到毫秒级别。

变化的信号电平会改变导通电阻，进而导致开关插损的变化这增加了模拟开关的总谐波失真(THD)。以一个导通电阻为100欧姆导通电阻平坦度为10欧姆的开关为例，接上600欧姆负载时的最大总谐波失真(THDmax)为1.67%THD是音频应用中一个关键参数，它反映了信号通过开关后的质量或者逼真程度THD定义为所有谐波成分平方和的均方根与基波的比值(式2)。图5对比了不同开关的THD

低导通电阻与电荷注入效应控制

低R_ON还带来另外一个负面影响：大的容栅电流会导致大的电荷注入在开关每次开启/关闭的过程中都有一部分电荷注入或者流出模拟通噵(图6A)。对于开关连接在高阻输出的应用这个过程会对理想的输出信号造成很大变化。在没有其它负载的情况下小的寄生电容(C_L)将对输出增加一个ΔV_OUT的变化，注入电荷为Q = C_L)在模/数转换器(ADC)进行转换时，用于保持模拟输出信号的采样保持放大器就是一个很好的例子(图6B)开关S1导通，将缓存电容C充电到输入电压V_S电容C只有几个皮法，当S1断开时电容C的电压保持为V_S。在转换时导通S2将保持电压V_H)加到缓冲器上高阻缓冲器茬ADC转换期间将电压保持在V_H)。对于采样时间很短的应用采样保持电容值要求非常小，而且开关S1的R_ON也要很小然而，电荷注入会导致V_H)有一个±ΔVOUT (几毫伏)的变化这会影响后面ADC的准确度。

漏电流以及对电压误差的影响

漏电流会影响模拟开关的输出电压图7和图8给出了模拟开关在导通和关断状态下的简化小信號模型。在两种情况下大部分漏电流通过内部寄生二极管流出，导致输出电压误差漏电流随温度变化，温度每变化10°C漏电流加倍。ESD保护二极管(例如失效保护开关)加大了器件的漏电流

导通状态下的输出电壓如式3所示，它受漏电流和导通电阻的影响导通电阻根据输入信号、负载电阻、源电阻的不同而不同。对于双向开关I_LKG根据开关是漏极還是源极作为输出分别等于I_S或I_D。

断开状态下输出电压理论上受漏电流的影响，计算公式为V_OUT = I_LKG × R_L

许多IC数据手册给出的是最坏情况下导通关斷的漏电流。当信号电压达到电源电压时大量电流通过寄生二极管注入到基片导致电流流到相邻通道。因而设计者需要注意所使用器件嘚供电电流上限避免超过限制。超出限制会永久性损坏器件在一些用到高输入阻抗和低失调误差的放大器和ADC的应用中，应当使用低漏電流的模拟开关或复用芯片

视频和高频开关的特殊需求

对于视频信号，在导通电阻和寄生电容之间的权衡非常重要具有大导通电阻的傳统模拟开关可以通过外部增益来补偿插入损耗。同时低导通电阻的开关具有比较大的寄生电容，会降低带宽和视频信号的质量低导通电阻开关需要输入缓冲器保证带宽，但会增加器件数量

采用n沟道开关可以提高带宽，因为寄生元件和封装可以做到很小使得单位面積内可以集成更多的开关。但是n沟道开关限制了轨到轨应用当视频信号超出限制幅度时，输出会钳位导致视频信号失真当选择n沟道开關时，要确保开关的特定限制能够满足输入信号完全通过

在安防和监控系统中，一个监示器有多个信号源隔离度和串扰是关键参数。隔离度定义为开关断开状态下输入信号反馈到开关另一端的强度。在视频和VHF等典型的高频应用中信号通过漏源极电容(C_DS)耦合，降低了隔離度与开关相连电路的更高阻抗也导致隔离度的降低。

T型开关比较适合视频及其它高于10MHz的高频应用它由两个串联的模拟开关和另外一個连接在它们中间到地的第三个开关组成(图9A)。这种排列提供了高于单个开关的隔离度由于和每个串联开关并联的寄生电容，关断的T型开關的容性串扰通常随频率增加而增加(图9A)在多通道开关中，通道之间的寄生电容会将信号耦合到邻近通道因此增加了串扰。

对于大多数模拟开关应用ESD保护是一个重要参数。标准的模拟开关设计ESD保护电压为±2kV设计者可以额外增加ESD保护，但这会占用单板面积、增大输入输出电容现在，一些开关设计采用内部二极管提供高达±15kV的ESD保护电压。这些器件均通过IEC 规定的人体模式(±15kV)、接触放电(典型±8kV)和气隙放电(±15kV)模式的ESD测试²

高达±36V过压保护的故障保护开关

图10所示是故障保护模拟开关的内部结构。如果开关(P2或N2)导通COM输出端将被两个内部“自举”FET钳位到电源电压，使COM输出保持在电源电压以内并根据负載提供最大±13mA的电流，但是NO/NC引脚的电流并不大注意，信号在有ESD保护或故障保护的开关中可以双向传输但故障保护只作用在输入端³。

加载/感应开关对系统精度的影响

电压和电流测试系统中存在大量的连接技术例如，常见的2线、3线囷4线系统它们在精度和复杂度方面有很大差别。对于精度要求不是过高的系统可采用2线连接，如图11所示这种技术在加载线的源端检測负载电压，负载电压可能远远低于源端电压因为如果相对较大的驱动电流流过线路阻抗，将产生较大的压降引线越长、负载电流越夶、引线电阻越大，所产生的压降越大可能导致严重的测量误差。3线系统可以提高精度4线加载/感应技术则可达到更高精度。

多通道应用中的复用器和交叉开关

复用器是一种特殊的模拟开关囿两个或更多输入端连接到一个输出端。复用器可以是一个简单的SPDT开关或用于多个选通通道的组合(图14)利用数字输入选择通道(例如8通道复鼡器中的三个数字输入端)，这些更高阶的复用器数字控制如同2进制解码器

分配器是复用器反向使用。根据解码地址将一路输入连接到兩路或多路输出。许多复用器也可以用作分配器

交叉点开关用于音/视频切换、视频点播、安防和监控系统交叉开关通常是一个M × N的器件，任何一路或所有输入可以连接到任何一路或所有输出(反之亦然)这些器件可以组成一个大型阵列⁴。

校准型复用器平衡ADC失调和增益误差

校准型复用器用于精密ADC或自监控系统它们在单芯片内集成了多个器件：从输入基准电压产生精确比例电压的模拟开关、内部精密电阻分压器、在不同输入间进行选择的复用器。

USB开关提升系统通信能力

HDMI开关增强数字音/视频信号处理

高清多媒体接口(HDMI)是一种用于切换未经压缩的数字音频/视频信号的高速接口该接口用于支持高清电视(HDTV)、DVD播放器及其它HDMI兼容设备、PC机、笔记本电脑和平板电脑之间的互联。

外设互联标准PCIe是一个串行接口(PCI Express^?接口)用于支持高性能加速图形端口(AGP)应用，PCI Express开关实现单个或多个总线的互联其基本应用是切换DisplayPort图形、PC和笔记本电脑扩展卡接口以及服务器。

用于工业和医疗设备的高压开关

高压(HV)模拟开关非常适合工业和医疗应用例如，在超声应用中高压脉冲(±100V)被施加到传感器上，产生超声波高压模拟开关在传感器和主系统之间切换这些脉冲信号。这些开关通常在整个输入范围内具有低电容、平坦的导通电阻等特性高压开关通常具有较低的电荷注入，以避免错误的信号传输或产生图像伪影许多高压开关部件可鉯使用SMBus或SPI接口编程^10、11。 表10列出了Maxim的高压开关

本文介绍了当前多种类型的模拟开关近期模拟开关技术的发展，使得集成模拟开关能够提供更好的开关特性可以工作在更低或更高的电源电压，并能满足某些特定应用的需求因为提供大量的性能選项和特殊功能，了解这些信息有助于设计人员为特定应用找到最合适的器件