一种FLASH存储器掉电数据保护电路

技术领域

本发明涉及数据保护技术领域，尤其涉及一种FLASH存储器掉电数据保护电路。

背景技术

Flash存储器(简称闪存，也称非易失存储器)是一种非易失性(Non-Volatile)内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携式数字设备的存储介质的基础。Flash存储器可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程，且其结合了ROM和RAM的优点，不仅具备电子可擦除可编程(EEPROM)的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据(NVRAM的优势)；Flash存储器的用途也非常重要，对系统起到决定性的作用，比如：存储开机密码、账号、设备IP号、开机参数初始化、上一次音量值和数据恢复值等等，因此对Flash存储器芯片的电路保护也就十分重要。

在现有系统中，掉电保护是系统在掉电之后能够对相关数据进行存储的一种方式，系统运行中所采集或产生的数据常常要求在电源掉电时不被丢失，重新加电后系统能恢复原来的工作状态，它的目的是采用一种机制，使得系统在意外失去供电的情况下，可以保证系统运行状态的确定性以及记录数据的完整性，当系统供电恢复后，现场数据可以及时恢复，避免应用系统产生混乱，同时保存的数据能够为技术人员提供分析数据，为分析产品提供良好的依据。

现有技术大多采用如图1所示的电路为解决电源异常掉电造成Flash数据损坏的问题，然而现有的电路设计存在以下缺陷：

1)在电路中使用专业的掉电保护芯片，比如：在电路中采用MAX691、MAX709掉电保护芯片，虽然采用专业的掉电保护芯片能有效增加系统掉电后的工作时间，但是该方案会增加设计成本，使电路变得更加复杂；

2)增加备用电源，比如：增加电池以使系统在掉电之后仍能正常工作，虽然使用电池可使电源掉电时保存大量数据，但是这种方式需有相应的充放电电路，相应地，也增加了硬件成本，且充放电电路的使用寿命大于电池充放电次数，导致资源浪费；

3)在电源中加大电源滤波电容，起到电源存储电能的作用。此种方式虽然在电源掉电时由于电容2端电压不能发生突变原理，电容中的电能能够继续对电路放电延长时间，但是其必须有大容量电容器，这不仅导致占用PCB板面积大，而且在电容容量越大时，电容的漏电噪声也会增大。

发明内容

本发明提供了一种FLASH存储器掉电数据保护电路，解决的技术问题是，现有技术多通过采用专业的掉电保护芯片、增加备用电源、在电源中加大电源滤波电容等方式对FLASH存储器掉电数据进行保护，这不仅使电路复杂化，而且增加了硬件成本，浪费资源。

为解决以上技术问题，本发明提供了一种FLASH存储器掉电数据保护电路，包括：供电电源、Flash芯片、单片机处理器、第一级保护电路、第二级保护电路和第三级保护电路，其中，所述第一级保护电路和第二级保护电路连接在所述供电电源和所述Flash芯片之间，所述第三级保护电路与所述Flash芯片连接，所述Flash芯片通过SPI总线与所述单片机处理器连接，所述Flash芯片包括第一至第八引脚，所述Flash芯片的第三引脚为写保护引脚；

所述供电电源，用于向所述单片机处理器、所述第一级保护电路和所述第二级保护电路提供电源电压；

所述第一级保护电路，用于在稳压状态下，通过所述供电电源充电存储，并在所述供电电源发生掉电时，对所述Flash芯片进行供电保护；

所述第二级保护电路，用于检测电源电压是否低于第一电压阈值，并在检测到电源电压低于所述第一电压阈值时，输出写保护低电平信号至所述Flash芯片的第三引脚，以使所述Flash芯片根据所述写保护低电平信号触发写保护功能；

所述第三级保护电路，用于检测所述Flash芯片的工作电压是否低于第二电压阈值，并在检测到所述Flash芯片的工作电压低于第二电压阈值时，输出工作低电平信号至所述Flash芯片的第七引脚，以使所述Flash芯片根据所述工作低电平信号触发暂停工作功能。

在进一步的实施方案中，所述第二级保护电路还用于当检测到电源电压高于所述第一电压阈值时，输出写保护高电平信号至所述Flash芯片的第三引脚，以使所述Flash芯片根据所述写保护高电平信号关闭写保护功能。

在进一步的实施方案中，所述第三级保护电路还用于当检测到所述Flash芯片的工作电压高于第二电压阈值时，输出工作高电平信号至所述Flash芯片的第七引脚，以使所述Flash芯片根据所述工作高电平信号触发正常工作功能。

在进一步的实施方案中，所述第一级保护电路包括第一二极管、第一法拉电容和第一电阻；

所述第一二极管的阳极连接所述供电电源的输出端，阴极通过第一电阻连接所述Flash芯片的第三引脚以及通过所述第一法拉电容接地；其中，所述第一二极管为肖特基二极管，所述第一法拉电容为法拉电容。

在进一步的实施方案中，所述第二级保护电路包括第一稳压二极管、第二电阻、第三电阻以及第一三极管；

所述第一稳压二极管的阴极连接所述供电电源的输出端，阳极连接所述第二电阻的一端；所述第二电阻的另一端通过第三电阻接地以及连接所述第一三极管的基极；所述第一三极管的发射极连接所述Flash芯片的第三引脚，集电极接地；其中，所述第一三极管为PNP型三极管。

在进一步的实施方案中，所述第一电压阈值为所述第一稳压二极管的电压。

在进一步的实施方案中，所述第三级保护电路包括第二稳压二极管、第四至第六电阻以及第二三极管；

所述第二稳压二极管的阴极连接所述Flash芯片的第八引脚与所述第一二极管的阴极的共同端，所述第二稳压二极管的阳极通过第四电阻连接所述第二三极管的基极，所述第二三极管的发射极连接所述Flash芯片的第七引脚以及通过第五电阻接地，所述第二三极管的集电极通过所述第六电阻连接所述Flash芯片的第八引脚与所述第一二极管的阴极的共同端；其中，所述第二三极管为NPN型三极管；

在所述供电电源掉电时，所述第一法拉电容中的电能向所述Flash芯片供电。

在进一步的实施方案中，所述第二电压阈值为所述第二稳压二极管的电压。

在进一步的实施方案中，该电路还包括第二法拉电容；所述Flash芯片的第八引脚通过第二法拉电容接地。

在进一步的实施方案中，该电路还包括第二二极管，所述第二二极管设置在所述供电电源的输出端与所述单片机处理器之间。

本发明提供了一种FLASH存储器掉电数据保护电路，所述电路通过第一级保护电路、第二级保护电路、第三级保护电路以及法拉电容对Flash芯片的写保护引脚和暂停工作引脚，实现了精准控制、保护Flash芯片中的数据的技术方案。与现有技术相比，本发明的掉电数据保护电路能够保证系统在电源掉电时，确保Flash芯片的电压稳定性，减少了电源突变对Flash芯片的影响，保证了存储的数据安全可靠，且本发明提供的电路结构简单，调试方便，实用性强。

附图说明

图1是本发明背景技术提供的现有FLASH存储器掉电保护电路示意图；

图2是本发明实施例提供的一种FLASH存储器掉电数据保护电路框图；

图3是本发明实施例提供的FLASH存储器掉电数据保护电路简单连接示意图；

图4是本发明实施例提供的单片机处理器的电路示意图；

图5是本发明实施例提供的SPI通信协议简单示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。

参考图2，本发明实施例提供了一种FLASH存储器掉电数据保护电路，如图2所示，该电路包括：供电电源101、Flash芯片102、单片机处理器103、第一级保护电路104、第二级保护电路105和第三级保护电路106，其中，所述第一级保护电路104和第二级保护电路105连接在所述供电电源101和所述Flash芯片102之间，所述第三级保护电路106与所述Flash芯片102连接，所述Flash芯片102通过SPI总线与所述单片机处理器103连接，所述Flash芯片102包括第一至第八引脚；

所述供电电源101，用于向所述单片机处理器103、所述第一级保护电路104和所述第二级保护电路105提供电源电压，本实施例设置供电电源输出的电源电压为3.3v；

所述第一级保护电路104，用于在稳压状态下，通过所述供电电源充电存储，并在所述供电电源发生掉电时，对所述Flash芯片进行供电保护；

所述第二级保护电路105，用于根据检测到的电源电压输出对应的写保护电平信号，以使所述Flash芯片根据所述写保护电平信号控制其写保护功能；

所述第三级保护电路106，用于根据检测到的所述Flash芯片的工作电压输出对应的工作电平信号，以使所述Flash芯片根据所述工作电平信号控制其工作模式。

在本实施例中，所述Flash芯片优先选取W25Q16BV芯片U2，其中，所述Flash芯片的第一引脚为片选信号(SPI通信协议)引脚CS，第二引脚为数据输出(SPI通信协议)引脚DO，第三引脚为写保护引脚WP，第四引脚为地信号引脚GND，第五引脚为数据输入(SPI通信协议)引脚DI，第六引脚为串行时钟输入(SPI通信协议)引脚CLK，第七引脚为暂停工作引脚HOLD，第八引脚为工作电源引脚VCC；需要说明的是，所述Flash芯片的第三引脚WP用于防止寄存器被写入；所述Flash芯片的第七引脚HOLD允许器件在有效选择的情况下被终止，当HOLD引脚被置为低电平时，CS引脚为低，DO引脚将处于高阻态状态，并且DI和CLK引脚上的信号将被忽略；当HOLD引脚被置为高电平时，器件操作将被恢复，HOLD引脚的功能通常用在当多个器件共享同一个SPI信号的情况下。

在一个实施例中，如图3所示，所述第一级保护电路104包括第一二极管D1、第一法拉电容C1和第一电阻R1；

所述第一二极管D1的阳极连接所述供电电源101的输出端，阴极通过第一电阻R1连接所述Flash芯片的第三引脚WP以及通过所述第一法拉电容C1接地；其中，所述第一二极管D1为肖特基二极管，本实施例设置第一二极管D1为SS14肖特基二极管，该二极管的压降为0.3v，因此，所述Flash芯片的工作电压为3v。

在本实施例中，所述第一级保护电路104用于确保所述Flash芯片的电压稳定性，当供电电源刚通电时，供电电源产生的冲击电压通过第一二极管传输到第一法拉电容C1，并被第一法拉电容C1吸收掉(利用电容两端电压不能发生突变的特性)；当供电电源输出的电压处于稳压状态下时，所述第一级保护电路通过所述供电电源充电存储，以便当出现所述供电电源发生掉电的情况时，第一法拉电容中的电能可以对所述Flash芯片进行供电保护，进而保证所述Flash芯片的电压稳定性，减小电源发生突变对所述Flash芯片造成的影响。

在一个实施例中，所述第二级保护电路105包括第一稳压二极管DZ1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第一三极管Q1；

所述第一稳压二极管DZ1的阴极连接所述供电电源101的输出端，阳极连接所述第二电阻R2的一端；所述第二电阻R2的另一端通过第三电阻R3接地以及连接所述第一三极管Q1的基极B；所述第一三极管Q1的发射极E连接所述Flash芯片的第三引脚WP，集电极C接地；其中，所述第一三极管Q1为PNP型三极管。

在本实施例中，所述第二级保护电路105用于检测供电电源输出的电源电压，并检测电源电压是否低于第一电压阈值，在检测到电源电压低于所述第一电压阈值时，输出写保护低电平信号至所述Flash芯片的第三引脚，以使所述Flash芯片根据所述写保护低电平信号触发写保护功能；所述第二级保护电路还用于当检测到电源电压高于所述第一电压阈值时，输出写保护高电平信号至所述Flash芯片的第三引脚，以使所述Flash芯片根据所述写保护高电平信号关闭写保护功能，本实施例设置所述第一电压阈值为所述第一稳压二极管DZ1的电压。

具体地，当检测到电源电压低于所述第一稳压二极管DZ1的电压时，所述第一稳压二极管DZ1反向截止，此时，电流无法从第一稳压二极管DZ1的阴极流向阳极，且第一三极管Q1是PNP型三极管，因此，所述第一三极管Q1的基极B没有电压，第一三极管Q1处于导通状态，因此，第一三极管输出写保护低电平信号至所述Flash芯片的第三引脚WP，以使触发所述Flash芯片的写保护功能，进入所述Flash的写保护模式，从而无法改变所述Flash芯片内部的数据。

当检测到电源电压高于所述第一稳压二极管DZ1的电压时，利用所述第一稳压二极管DZ1的反向导通特性，电流从所述第一稳压二极管的阴极流向阳极，以控制第一三极管Q1的基极B，此时所述第一三极管Q1的基极电压大于第三电压阈值，且由于第一三极管Q1是PNP型三极管，第一三极管Q1处于截止状态，因此，第一三极管Q1输出写保护高电平信号至所述Flash芯片的第三引脚WP，以使所述Flash芯片关闭写保护功能，写功能正常工作，本实施例设置第三电压阈值为0.7v。

本实施例设置的第一稳压二极管DZ1耐压2.8V，同时利用第一稳压二极管DZ1的反向导通穿特性来控制FLASH芯片的写保护引脚WP，从而达到在检测到电源不稳定时，保护所述Flash芯片的目的。

需要说明的是，稳压二极管的反相导通特性为：当反向电压低于PN结击穿电压(稳压值)，反向电阻变大(反向截止)时，电流无法从阴极流到阳极；当反向电压大于PN结击穿电压(稳压值)，反向电阻变小(反向导通)时，电流从阴极流到阳极；此处所述的击穿是指安全导通，并非损害击穿的情况。

在一个实施例中，所述第三级保护电路包括第二稳压二极管DZ2、第四至第六电阻R4～R6以及第二三极管Q2；

所述第二稳压二极管DZ2的阴极连接所述Flash芯片的第八引脚VCC与所述第一二极管D1的阴极的共同端，所述第二稳压二极管DZ2的阳极通过第四电阻R4连接所述第二三极管Q2的基极B，所述第二三极管Q2的发射极E连接所述Flash芯片的第七引脚HOLD以及通过第五电阻R5接地，所述第二三极管Q2的集电极C通过所述第六电阻R6连接所述Flash芯片的第八引脚VCC与所述第一二极管D1的阴极的共同端；其中，所述第二三极管Q2为NPN型三极管。

在本实施例中，所述第三级保护电路106用于检测所述Flash芯片的工作电压，并检测所述Flash芯片的工作电压是否低于第二电压阈值，在检测到所述Flash芯片的工作电压低于第二电压阈值时，输出工作低电平信号至所述Flash芯片的第七引脚，以使所述Flash芯片根据所述工作低电平信号触发暂停工作功能；所述第三级保护电路还用于当检测到所述Flash芯片的工作电压高于第二电压阈值时，输出工作高电平信号至所述Flash芯片的第七引脚，以使所述Flash芯片根据所述工作高电平信号触发正常工作功能；其中，所述第二电压阈值为所述第二稳压二极管DZ2的电压，本实施例设置第二稳压二极管DZ1耐压2.8V。

在本实施例中，所述Flash芯片的工作电压是通过第一级保护电路中的第一二极管、第一法拉电容提供的，在3.3V的供电电源突然掉电时，第一法拉电容中的电能对所述Flash芯片进行供电。

具体地，当检测到所述Flash芯片的工作电压低于所述第二稳压二极管DZ2的电压时，第二稳压二极管反向截止，电流无法从第二稳压二极管的阴极流向阳极，同时由于所述第二三极管为NPN型三极管，因此，第二三极管的基极没有电压，第二三极管处于截止状态，因此，第二三极管输出工作低电平信号至所述Flash芯片的第七引脚HOLD(暂停工作引脚)，以触发所述Flash芯片的暂停工作模式功能，从而无法改变所述Flash芯片的内部数据。

当检测到所述Flash芯片的工作电压高于所述第二稳压二极管DZ2的电压时，利用第二稳压二极管的反向导通特性，电流从所述第二稳压二极管的阴极流向阳极，以控制所述第二三极管的基极，此时，第二三极管的基极大于第四电压阈值，且由于所述第二三极管为NPN型三极管，所述第二三极管处于导通状态，电源电压通过第六电阻到所述Flash芯片的第七引脚HOLD，即第二三极管输出工作高电平信号至所述Flash芯片的第七引脚HOLD，以使所述Flash芯片进入正常工作模式。

在一个实施例中，所述Flash芯片的第八引脚还通过第二法拉电容C2接地。

在一个实施例中，所述供电电源的输出端还通过第二二极管D2连接单片机处理器103的第三十二引脚VCC，如图4所示，所述单片机处理器的第三十二引脚VCC还通过第三法拉电容C3接地，在本实施例中，第二二极管D2和第三法拉电容C3用于确保SPI通信协议电平的稳定，即，3.3v的供电电源通过第二二极管D2为所述单片机处理器提供工作电压，所述第二二极管将VCC_32电平信号发送至所述单片机处理器，需要说明的是，由于本实施例设置第二二极管D2为SS14肖特基二极管，该二极管的压降为0.3v，因此，所述单片机处理器的工作电压为3v，在本实施例中，所述单片机处理器的工作电压与SPI通信协议电平电压一致，图5为SPI通信协议的简单示意图。

本实施例利用法拉电容的延迟放电特性，使得系统在掉电时将需要保护的数据存储到非易失存储器中，比如：FLASH，这种方法电路搭建简单，且相比于现有采用电池的保护方法，本实施例采用的法拉电容在其额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出，同时法拉电容还具有充放电次数大于电池、可以存储更多的能量并且可以反复传输能量脉冲、快速充电等特点。

本实施例提供了一种FLASH存储器掉电数据保护电路，该电路包括：供电电源、Flash芯片、单片机处理器、第一级保护电路、第二级保护电路和第三级保护电路，其中，所述第一级保护电路和第二级保护电路连接在所述供电电源和所述Flash芯片之间，所述第三级保护电路与所述Flash芯片连接，所述Flash芯片通过SPI总线与所述单片机处理器连接，所述Flash芯片包括写保护引脚和暂停工作引脚；本发明通过第一级保护电路中的法拉电容确保了Flash芯片的电源稳定性，从而保存了电路运行状态，防止Flash芯片由于意外突然掉电时数据受到损坏，减少了电源硬件成本，同时通过第二级保护电路以及第三级保护电路控制Flash芯片的写保护和暂停工作操作，从而保证了数据在电压不稳定状态下得到保护；本发明提供的电路有效提高了掉电数据保护的可靠性和安全性，且具有电路设计简单、成本低、体积小、功耗少的特点。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。