單片機系統中法拉電容的數據保護研究

引 言
在測量、控制等領(lǐng)域的嵌入式系統應用中，常要求系統內部和外部數據存儲器(RAM)中的數據在電源掉電時(shí)不丟失，重新加電時(shí)RAM中的數據能夠保存完好，以保證系統穩定、可靠地工作和數據信息處理的安全。這就要求對系統加接掉電保護措施。掉電保護可采用以下三種方法：
一是加接不問(wèn)斷電源。由于這種方法體積大、成本高，對單片機系統來(lái)說(shuō)，不宜采用。
二是采用EEPROM來(lái)保存數據。但由于其讀寫(xiě)速度與讀寫(xiě)次數的限制，使得EEPROM不能完全代替RAM。
三是采用備份電池，掉電后保護系統中全部或部分數據存儲單元的內容。
顯然，上述第三種方法是比較可行的。實(shí)際應用中，往往采用內置鋰電池的非易失性靜態(tài)隨機存取存儲器(nonvolatile SRAM)。例如Dallas半導體公司的DS1225，由于采用鋰電池作為存儲器備份電源，數據可以完好保存10年以上。但這種方案的缺點(diǎn)是成本高，且鋰電池會(huì )造成環(huán)境污染。
法拉電容也叫超級電容器，雙電層電容，其體積小、容量大、電壓記憶特性好、可靠性高。與充電電池相比，具有充電時(shí)間短、功率密度高、使用壽命長(cháng)、低溫特性好及無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)勢。在數據保護電路中采用法拉電容取代電池作后備電源，在提高系統可靠性、延長(cháng)壽命、降低設備成本和維護成本等方面，有十分重要的意義。
本文將通過(guò)一個(gè)設計案例，具體介紹法拉電容在單片機系統的RAM數據保護中的應用，為嵌入式系統中RAM數據保護提供一種可行的參考方法。
某一采用UT6264C-70LL作為RAM的單片機系統，在系統掉電后，要求RAM的數據后備時(shí)間達到5天。

1 硬件設計
采用法拉電容作為RAM后備電源，法拉電容后備時(shí)間的典型計算公式為：

式中：C(F)為法拉電容的標稱(chēng)容量，Umin(V)為電路中的正常工作電壓，Umin(V)為電路能工作的最低電壓，t(s)為電路中后備時(shí)間，I(A)為電路的負載電流。
UT6264CSC-70LL的典型數據保持電流為1 μA，工作電壓為5 V，數據保持所需電壓最低為2 V。取O．1 F的法拉電容，計算得到RAM的數據后備時(shí)間為3．35天。而實(shí)際上，當RAM的電源電壓降低時(shí)，其數據保持電流將減小，因而后備時(shí)間可以延長(cháng)。
另外，電源出現波動(dòng)時(shí)，RAM的片選引腳、寫(xiě)使能引腳及數據線(xiàn)端口也容易引入干擾或不正常的控制時(shí)序，從而破壞RAM中的數據。因此，需要通過(guò)電路設計，確保電源不正常時(shí)讀寫(xiě)控制端口時(shí)序可控，從而增強RAM數據的安全。
電路原理圖如圖1所示。