多電壓系統(tǒng)中的監(jiān)控器

由于更高的組件密度和處理器速度要求更低 用于核心電源的電壓，多電壓系統(tǒng)開始出現(xiàn)。 第一個這樣的系統(tǒng)是用于邏輯和 核心。FPGA、定制 ASIC 和其他產(chǎn)品的進(jìn)步增加了 第三，有時是第四，電壓電平。ADI監(jiān)控器IC 一直跟上日益復(fù)雜的產(chǎn)品開發(fā)步伐， 為復(fù)雜的多電壓系統(tǒng)提供監(jiān)測和控制。

隨著處理器變得越來越復(fù)雜，確保正常運行變得越來越復(fù)雜，并且對監(jiān)控電路的要求也越來越高。

多電壓監(jiān)控器提供上電復(fù)位、正確的排序和連續(xù)電壓監(jiān)控。

當(dāng)今最先進(jìn)的處理器的較低電壓要求要求使用新的低壓監(jiān)視器。

現(xiàn)代監(jiān)控器提供看門狗定時器、手動復(fù)位輸入和電源故障比較器等附加功能。

由于更高的組件密度和處理器速度要求更低 用于核心電源的電壓，多電壓系統(tǒng)開始出現(xiàn)。 第一個這樣的系統(tǒng)是用于邏輯和 核心。FPGA、定制 ASIC 和其他產(chǎn)品的進(jìn)步增加了 第三，有時是第四，電壓電平。ADI監(jiān)控器IC 一直跟上日益復(fù)雜的產(chǎn)品開發(fā)步伐， 為復(fù)雜的多電壓系統(tǒng)提供監(jiān)測和控制。

多電壓監(jiān)控

在多電壓系統(tǒng)中，產(chǎn)生上電復(fù)位（POR）信號的最簡單方法是監(jiān)視3.3V或5V邏輯電源。上電時，當(dāng)邏輯電壓上升到其閾值以上時，監(jiān)控器啟動復(fù)位周期，以確保處理器有序開啟。只要處理器的電源電壓在規(guī)格范圍內(nèi)（在正常操作期間），監(jiān)控器就會繼續(xù)監(jiān)視該電壓的瞬態(tài)和掉電情況。

但是，在較低內(nèi)核/電源電壓水平下工作的器件的完整性如何呢？這些電平是由線性或開關(guān)電源產(chǎn)生的，那么在復(fù)位周期過后，您如何假設(shè)它們在規(guī)格范圍內(nèi)呢？在多電壓設(shè)計中僅監(jiān)控單個電壓，則可能無法檢測到供電不當(dāng)?shù)脑O(shè)備可能正在加載總線或以不穩(wěn)定的方式響應(yīng)，從而導(dǎo)致軟件偏離其預(yù)期程序。因此，可靠設(shè)計的良好基礎(chǔ)必須包括監(jiān)控所有電壓的能力。

可用的監(jiān)控器可以監(jiān)視兩個、三個甚至四個電源電壓，可以使用工廠編程的閾值或工廠和電阻可編程閾值的組合。工廠編程的門限通常以低于監(jiān)控電壓電平50mV至100mV的增量提供，因此根據(jù)其指定的容差選擇監(jiān)控器。例如，如果監(jiān)控器系列指定了 3.3V、3.08V、2.93V 和 2.63V 的門限，則通過記下所需電壓及其相應(yīng)的后綴來組成器件的部件號。

工廠編程監(jiān)控器是單芯片器件，無需外部元件即可進(jìn)行閾值設(shè)置。由于閾值沒有電阻分壓器，也消除了功耗源。另一方面，電阻可編程器件適合希望避免使用特定應(yīng)用器件的工程師。一旦您的公司對特定主管進(jìn)行了資格認(rèn)證，您就可以通過替換一個或兩個電阻器來輕松更改其閾值。對于單電源系統(tǒng)，您可以在禁用其他輸入后使用相同的多電壓監(jiān)控器。

多電壓系統(tǒng)中的低壓監(jiān)控

邏輯電平從5.0V和3.3V向2.5V和1.8V移動，因此需要能夠監(jiān)控低至0.9V電壓的監(jiān)控器。此類監(jiān)控器應(yīng)直接在1.8V電壓下工作，因為更高的電壓電平并不總是可用。工作和非活動狀態(tài)之間的較小差異也使得需要在低至 1.0V 或更低的電源電平時保持有效的復(fù)位操作。抑制電源電壓中短時間瞬變的能力（良好的瞬態(tài)抗擾度）是低壓系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵特性。許多數(shù)據(jù)手冊都包含瞬態(tài)持續(xù)時間與電壓過驅(qū)的關(guān)系圖，使設(shè)計人員能夠通過查看電源固有的噪聲特性來避免令人討厭的復(fù)位。

設(shè)備操作和功能

目前可用的現(xiàn)成監(jiān)控器IC系列在滿足系統(tǒng)需求方面非常靈活。除了多電壓監(jiān)控外，它們還提供使設(shè)計更穩(wěn)健且不易受到硬件和軟件瞬態(tài)條件影響的功能。在選擇主管時，以下注意事項至關(guān)重要。

重置周期：

復(fù)位周期是所有監(jiān)控電壓上升到其復(fù)位閾值以上后的延遲間隔，在此期間復(fù)位輸出保持低電平。流行的值是最小值 140 毫秒。因此，在所有監(jiān)控電壓升至其閾值以上后，復(fù)位引腳保持工作狀態(tài)至少140毫秒。復(fù)位命令將軟件矢量化到特定的代碼位置，從該位置可以啟動有序啟動。

復(fù)位也會響應(yīng)低電壓、手動復(fù)位或看門狗超時而發(fā)生。重置初始化代碼，從而防止處理器執(zhí)行可能因低電壓或軟件錯誤而損壞的代碼。如果處理器規(guī)格允許，增加或減少重置周期可能更合適?？捎闷骷峁?1 毫秒至 1.2 秒的復(fù)位周期。

復(fù)位周期還允許電源電壓、晶體和鎖相環(huán) （PLL） 穩(wěn)定。晶體和PLL對復(fù)位周期持續(xù)時間的影響最大。不帶PLL的20MHz晶體可以使用短超時，但使用PLL鎖相至32MHz的20kHz晶體需要更長的超時。

復(fù)位輸出：

/推挽式復(fù)位輸出適用于大多數(shù)應(yīng)用，但也提供其他輸出類型。對于監(jiān)控器取代與傳統(tǒng) 8051 產(chǎn)品相關(guān)的 RC 延遲的應(yīng)用，監(jiān)控器具有高電平有效推挽輸出或//漏極開路輸出，或兩者兼而有之。

漏極開路輸出通常更靈活。它們允許簡單的線或連接，并輕松形成在不同系統(tǒng)電壓下工作的設(shè)備的接口。漏極開路輸出允許復(fù)位輸出被多個電源拉低，而不會發(fā)生爭用。這種靈活性的代價是外部上拉電阻。

單電壓系統(tǒng)中的推挽輸出很簡單，但多電壓系統(tǒng)中的推挽輸出需要更加小心。例如，考慮用于監(jiān)視3.3V和5.0V電源的雙監(jiān)控器。對于兩個內(nèi)部電壓監(jiān)視器，它有一個推挽復(fù)位輸出，可以在地和3.3V電源軌之間擺動，或者（在另一個版本中）在地和5V電源軌之間擺動。在這種情況下，您可以選擇電壓擺幅與處理器復(fù)位輸入兼容的版本?；蛘撸p監(jiān)控器可能有兩個輸出 - 一個與3.3V監(jiān)視器相關(guān)聯(lián)，另一個與5V監(jiān)視器相關(guān)聯(lián)。您可以選擇每個輸出擺幅到相應(yīng)監(jiān)控軌的版本，或者兩個輸出擺幅到同一軌。

負(fù)向瞬變免疫：

嘈雜的數(shù)字環(huán)境會對電源電壓施加電壓瞬變，無論電源電壓是由線性穩(wěn)壓器還是開關(guān)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的。關(guān)鍵目標(biāo)是避免正常工作期間的誤復(fù)位，同時保持對電源電壓的連續(xù)監(jiān)控。圖表（典型器件的數(shù)據(jù)手冊中提供）提供了有關(guān)瞬態(tài)過驅(qū)幅度和持續(xù)時間的組合將導(dǎo)致器件復(fù)位的指導(dǎo)（圖 1）。

圖1.MAX6381的典型瞬態(tài)持續(xù)時間與過驅(qū)的關(guān)系（圖表）

如您所見，50μsec、50mV 瞬態(tài)電壓不會重置器件;重置僅針對持續(xù)時間較長或幅度更大的瞬變發(fā)生。因此，該圖提供了一種避免可怕的麻煩重置的方法。請注意，具有較高瞬態(tài)抑制水平的監(jiān)控器也可能允許使用需要較少濾波的低成本電源（假設(shè)處理器可以容忍由此產(chǎn)生的電源電壓變化）。

看門狗定時器：

看門狗定時器檢查軟件是否正確執(zhí)行。如果軟件因錯誤或硬件故障而陷入循環(huán)，看門狗定時器將重置處理器并允許其重新初始化自身。為避免復(fù)位，軟件必須在每個定時器周期結(jié)束前在看門狗輸入端生成邊沿轉(zhuǎn)換。邊沿轉(zhuǎn)換（而不是低電平有效或高電平輸入）消除了由于處理器輸出鎖定而禁用看門狗的可能性。您必須在軟件中將定時器復(fù)位（邊沿轉(zhuǎn)換）放置在確保在超時期限過前重置看門狗的位置。

實現(xiàn)看門狗定時器的藝術(shù)是放置定時器復(fù)位，以便它們排除卡住循環(huán)的可能性。一個方便的提示是在序列中的下一個例程中強制從低到高的轉(zhuǎn)換，在序列中的下一個例程中強制從高到低的轉(zhuǎn)換。然后，如果軟件卡在其中一個例程中，將進(jìn)行重置。在單個子程序中放置低-高-低脈沖不會產(chǎn)生復(fù)位，因此軟件可以保持鎖定狀態(tài)。

為了適應(yīng)具有擴展上電和穩(wěn)定要求的處理器，一些監(jiān)控器提供更長的初始看門狗周期。較長的時間段允許處理器有時間初始化和配置自身，然后再實施后續(xù)更短、更嚴(yán)格的看門狗間隔。

手動復(fù)位：

手動復(fù)位使用戶和功能測試設(shè)備可以輕松訪問重置處理器。一些監(jiān)控器產(chǎn)品提供帶內(nèi)部上拉電阻的低電平有效輸入，無需外部電阻，還允許使用簡單的開關(guān)接口。與手動復(fù)位輸入相關(guān)的另一個規(guī)格是毛刺抑制。為避免意外或令人討厭的復(fù)位，輸入應(yīng)抑制短時間毛刺。這種毛刺抑制電路不僅可以防止意外復(fù)位，而且無需外部開關(guān)去抖動電路。

手動重置通常會觸發(fā)重置周期。但是，為了減少測試時間，重置周期應(yīng)該很短。MAX6390 IC的周期約為標(biāo)準(zhǔn)復(fù)位周期的八分之一（對于MAX6390D4，手動復(fù)位脈沖最小值為140msec，復(fù)位周期為1.12秒）。

除了電平敏感的手動復(fù)位輸入外，某些應(yīng)用可能需要邊沿敏感型輸入，以確保處理器在固定的時間段內(nèi)復(fù)位，而不是取決于手動復(fù)位輸入保持低電平的時間。該功能對于減少產(chǎn)品組裝和測試時間非常方便。

過壓和負(fù)壓監(jiān)控：

對于執(zhí)行自檢的醫(yī)療或安全相關(guān)設(shè)備，可以使用監(jiān)控器來檢測過壓和欠壓情況。這些器件具有電阻可編程輸入，當(dāng)監(jiān)控電壓超過閾值時強制復(fù)位。與欠壓情況一樣，過大的電壓會導(dǎo)致固件和硬件出現(xiàn)意外結(jié)果。強制處理器重置可緩解潛在的不安全情況。

模擬輸出故障可以通過多種方式發(fā)生，但簡單的負(fù)電壓監(jiān)視器可以確認(rèn)預(yù)期的電源電壓是否存在且符合規(guī)格。例如，具有-5V或-15V電源軌的模擬模塊通常產(chǎn)生模擬輸出，而沒有電源電壓反饋來驗證其有效性。幸運的是，過壓監(jiān)控器也可以監(jiān)測負(fù)電壓。對于過壓情況，電源電壓由該電壓和 Vcc 之間的外部電阻分壓器檢測（圖 2）。

圖2.負(fù)電壓監(jiān)測采用MAX6347

電源排序：

為了防止閂鎖并最大限度地提高上電期間的可靠性，多電壓系統(tǒng)通常要求對VI/O至Vcore或Vcore至VI/O電壓進(jìn)行排序或跟蹤。跟蹤通常意味著I/O和內(nèi)核電壓必須一起上升，并且（通常）內(nèi)核電壓不得超過I/O電壓0.30V。排序通常意味著I/O電壓必須在內(nèi)核電壓之前上升。系統(tǒng)還可以指定 I/O 和內(nèi)核電壓上升之間的延遲周期。

一種用于2電壓系統(tǒng)（I/O = 3.3V和內(nèi)核= 2.5V）的時序控制器采用單電壓監(jiān)控器來監(jiān)視3.3V電源。當(dāng)該電壓高于其閾值時，監(jiān)控器會延遲并增強外部 p 溝道 MOSFET（圖 3）。這種方法對于低電流應(yīng)用具有成本效益，但對于較高電流，具有低Vgs閾值的低Rdson p-FET的成本可能很高。

圖3.采用MAX6347的電源排序器

對于更高電流的應(yīng)用，帶電荷泵的專用電源排序器可能更有效。如前例所示，該電路監(jiān)視電源電壓并激活外部FET以啟動第二個電源。然而，IC器件允許使用成本低于p溝道器件的n溝道FET。內(nèi)部電荷泵提供 5.0V 的 Vgs，這充分增強了為第二個電源供電的 n-FET。n-FET不僅成本更低;它的Rdson明顯更低。

例如，MAX6819和MAX6820為SOT-23電源排序器，無需外部電荷泵電容。MAX6819具有固定的200msec延遲，MAX6820具有可變延遲。外部電容器根據(jù)關(guān)系設(shè)置延遲。

t延遲（秒） = 2.484x10-6（賽特）。

這些IC還可以在具有兩個以上電源電壓的應(yīng)用中實現(xiàn)簡單的排序。要對所有電源進(jìn)行排序，只需為每個額外的電源電壓添加一個時序控制器（圖 4）。

圖4.對額外的供應(yīng)進(jìn)行排序。

電源故障比較器：

如果您的系統(tǒng)必須提供斷電或低電池電壓的預(yù)警，則可以選擇包含邏輯電平復(fù)位電路和電源故障比較器的監(jiān)控器。例如，對于MAX6342系列的IC，復(fù)位門限經(jīng)過工廠調(diào)整。一個外部電阻分壓器設(shè)置功率損耗或低電池電量檢測的閾值。由于閾值為1.25V，因此可以監(jiān)控高于和低于V的電壓抄送，最小閾值為 1.25V。如需額外的電源電壓，請選擇具有漏極開路輸出的器件，該器件允許使用第二個監(jiān)控器來監(jiān)視其他內(nèi)核電壓。

電壓檢測：

監(jiān)控系統(tǒng)中所有電源電壓的重要性怎么強調(diào)都不為過。它可以通過反饋執(zhí)行，也可以由驅(qū)動處理器復(fù)位引腳的監(jiān)控器執(zhí)行。反饋的形式可以是測量系統(tǒng)電壓的A/D轉(zhuǎn)換器，也可以是軟件常規(guī)監(jiān)控設(shè)備功能。這兩種方法都可以確保工程師在電路板上獲得適當(dāng)?shù)碾娫础?br/>
另一種簡單的方法與電壓檢測器達(dá)到相同的結(jié)果。電壓檢測可能比監(jiān)控提供更多信息，因為它可以指示哪個電源電壓有問題。監(jiān)控通常將所有電壓“或”放在一起并產(chǎn)生單個復(fù)位，而多電壓檢測器通常提供漏極開路輸出，可以單獨檢查以確定問題的根源。四路電壓監(jiān)視器具有獨立的漏極開路輸出。此類器件可包括電阻可編程門限以及工廠編程門限，以適應(yīng) 1.8V、2.5V、3.3V、5.0V 或 -5.0V 的電源電壓。內(nèi)部精密基準(zhǔn)電壓源和內(nèi)部分壓器使這些IC非常緊湊。

總結(jié)

多種電源電壓、不斷縮小的芯片幾何形狀以及日益重要的產(chǎn)品可靠性規(guī)格相結(jié)合，提高了對電源電壓進(jìn)行全面監(jiān)控或監(jiān)控的需求。本文介紹了可用于此目的的產(chǎn)品，以及產(chǎn)品功能對于設(shè)計可靠系統(tǒng)至關(guān)重要。