痞子衡嵌入式：i.MXRT1xxx系列GPIO提早供電會影響上電時序導致內部DCDC啟動失敗

痞子衡發表於2024-03-27

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是i.MXRT1xxx系列GPIO提早供電會影響上電時序導致內部DCDC啟動失敗。

　　最近有一個 RW612 產品線的同事在設計一個雙 MCU 系統 Demo 時發現，當 RW612 板卡和 RT1060 板卡透過 UART 對接時，如果 RW612 板卡提前上電，RT1060 板卡後上電，會導致 RT1060 程式無法正常啟動。這其實是一個 i.MX RT 系列上典型的上電時序問題，今天痞子衡就和大家聊聊這個話題：

  • Note: 本文內容以 i.MXRT1060 為例，但基本也適用其他 i.MXRT1xxx 系列。

一、快速復現問題

　　痞子衡同事在用兩塊 MCU 板卡（RW612+RT1060）對接時遇到了問題，想復現這個問題，其實沒有那麼複雜，我們可以用一個USB轉串列埠模組（3.3V）代替 RW612 來和 RT1060 的 ROM ISP UART 口連線：

　　痞子衡使用得這個USB轉串列埠模組 TXD 和 RXD 驅動能力不同，空載電壓測得均是 3.55V，但是和未上電的 RT1060-EVKB 板卡對接時，電壓會有所下降，因此痞子衡測試了不同連線組合下的 RT1060 板卡上電啟動結果：

USB轉串列埠模組一直通電 RT1060-EVKB J46未連線 RT1060-EVKB J46連線後
模組TXD
晶片GPIO_AD_B0_13		 模組RXD
晶片GPIO_AD_B0_12		 NVCC_GPIO
NVCC_SD1
NVCC_EMC		 NVCC_SD0 DCDC_PSWITCH DCDC_IN VDD_SOC_IN
DCDC_LP		 VDD_SOC_IN
DCDC_LP		 程式啟動結果
未接 未接 0 0 0 0 0 1.275V 啟動成功
未接 0.83V 0.33V 0 0.33V 0.33V 0 1.275V 啟動成功
2.22V 未接 1.42V 0 1.42V 1.42V 0 0 啟動失敗
2.24V 1.79V 1.46V 0 1.46V 1.46V 0 0 啟動失敗

　　從測試結果可以看到，RT1060 程式啟動失敗的主要原因是板卡上電後，VDD_SOC_IN 上沒有電壓（即主晶片內部 DCDC 沒有輸出）。

二、內部DCDC上電時序要求

　　在分析啟動失敗問題前，首先需要簡單瞭解下 i.MXRT1xxx 晶片內部的 DCDC 模組。在一些成本敏感的應用中，首推使用晶片內部 DCDC 供電給核心，因此 DCDC 模組能否正常啟動決定了核心能否正常執行。

　　在恩智浦官網文件 《i.MX RT Hardware Development Guide for the MIMXRT1050/MIMXRT1060 Processor》 裡對上電時序做了如下嚴格規定，其中最常發生問題的地方就是有效 DCDC_PSWITCH 和 DCDC_IN 之間至少 1ms 的延時（以 DCDC_IN 穩定在 3V 為時間起點，以 DCDC_PSWITCH 上升到 1.5V 為時間終點），如果不滿足這個 1ms 延時要求，內部 DCDC 模組則可能會啟動失敗，無法正常輸出電壓給核心（DCDC_LP 腳）。

• The VDD_SNVS_IN supply must be turned on before any other power supply or connected (shorted) with the VDD_HIGH_IN supply.
• If a coin-cell battery is used to power VDD_SNVS_IN, ensure that it is connected before any other supply is switched on.
• An RC delay circuit is recommended for providing the delay between DCDC_IN stable and DCDC_PSWITCH. The total RC delay should be 5-15 ms.
• DCDC_IN must reach a minimum 3.0 V within 0.3 x RC.
• The delay from DCDC_IN stable at 3.0 V min to DCDC_PSWITCH reaching 0.5 x DCDC_IN (1.5 V) must be at least 1 ms.
• The power-up slew rate specification for other power domains is 360 V/s – 36k V/s.
• POR_B must be held low during the entire power up sequence

三、GPIO提早供電的影響

　　現在我們檢視一下 RT1060-EVKB 原理圖設計，外部電源輸入 DCDC_3V3 負責給 NVCC_GPIO/SD1/EMC 以及 DCDC_IN 供電，同時 DCDC_IN 也經過了一個 RC 延時電路供電給 DCDC_PSWITCH，這是符合硬體設計要求的。

　　由於 RT1060 上 GPIO_AD_Bx 和 GPIO_Bx 兩組 PAD 供電均來自於 NVCC_GPIO，當其中任何一個 GPIO 有電壓時，均可能會漏電到 NVCC_GPIO。因此我們提前將 USB 轉串列埠模組透過 ROM ISP UART 連到板卡，即會漏電到了 NVCC_GPIO->DCDC_3V3->DCDC_IN->DCDC_PSWITCH，即相當於給 DCDC_PSWITCH 的 RC 電路預充了一定電，等板卡正式上電，RC 電路升壓到 1.5V 的時間就會縮短。這也就是上個小節表格裡為何 DCDC_PSWITCH 預充到 0.33V 時不影響上電時序，而預充到 1.42V 時就不行了，因為延時小於 1ms 了。

　　根據 RT1060-EVKB 這樣的電源電路設計，不僅僅 ROM ISP UART 兩個引腳提前上電會影響晶片啟動，屬於 NVCC_GPIO/SD1/EMC 供電下的任何一個 GPIO 提前上電都會產生相同的效果。但是 NVCC_SD0 供電下的 GPIO 則不會影響啟動，因為它在走線上和 DCDC_PSWITCH 之間沒有連線。

四、多板卡連線的解決方案

　　現在我們知道了問題產生的原因，以後遇到此類問題，第一時間先去測量 i.MXRT1xxx 內部 DCDC 輸出（DCDC_LP）的電壓（如果為 0，則一定是上電時序問題）。那該如何規避問題呢？以與 RT1060-EVKB 連線為例則有如下三個方法：

  • 方法一: 兩個板卡之間用 UART 訊號連線時串上隔離電阻（比如1K歐姆），這樣能降低漏電到 NVCC_GPIO 的電壓（以實測為準）。
  • 方法二: 選用不干擾 DCDC_PSWITCH 訊號的 GPIO 組（對於 RT1060-EVKB，則是 GPIO_SD_B0_xx 引腳）進行連線。
  • 方法三: 將 RT1060-EVKB 板卡，改為外部 PMIC 供電，棄用主晶片內部 DCDC。

　　至此，i.MXRT1xxx系列GPIO提早供電會影響上電時序導致內部DCDC啟動失敗便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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