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(kāi)始出現(xiàn)。 第一個(gè)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(shí)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(kāi)發(fā)步伐， 為復(fù)雜的多電壓系統(tǒng)提供監(jiān)測(cè)和控制。

隨著處理器變得越來(lái)越復(fù)雜，確保正常運(yùn)行變得越來(lái)越復(fù)雜，并且對(duì)監(jiān)控電路的要求也越來(lái)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(shí)器、手動(dòng)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(kāi)始出現(xiàn)。 第一個(gè)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(shí)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(kāi)發(fā)步伐， 為復(fù)雜的多電壓系統(tǒng)提供監(jiān)測(cè)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(hào)的最簡(jiǎn)單方法是監(jiān)視3.3V或5V邏輯電源。上電時(shí)，當(dāng)邏輯電壓上升到其閾值以上時(shí)，監(jiān)控器啟動(dòng)復(fù)位周期，以確保處理器有序開(kāi)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(huì)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(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的，那么在復(fù)位周期過(guò)后，您如何假設(shè)它們?cè)谝?guī)格范圍內(nèi)呢？在多電壓設(shè)計(jì)中僅監(jiān)控單個(gè)電壓，則可能無(wú)法檢測(cè)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(jì)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(gè)、三個(gè)甚至四個(gè)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(guò)記下所需電壓及其相應(yīng)的后綴來(lái)組成器件的部件號(hào)。

工廠編程監(jiān)控器是單芯片器件，無(wú)需外部元件即可進(jìn)行閾值設(shè)置。由于閾值沒(méi)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(duì)特定主管進(jìn)行了資格認(rèn)證，您就可以通過(guò)替換一個(gè)或兩個(gè)電阻器來(lái)輕松更改其閾值。對(duì)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(dòng)，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?yàn)楦叩碾妷弘娖讲⒉豢偸强捎谩９ぷ骱头腔顒?dòng)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(shí)保持有效的復(fù)位操作。抑制電源電壓中短時(shí)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(gè)關(guān)鍵特性。許多數(shù)據(jù)手冊(cè)都包含瞬態(tài)持續(xù)時(shí)間與電壓過(guò)驅(qū)的關(guān)系圖，使設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)查看電源固有的噪聲特性來(lái)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(jì)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(shí)，以下注意事項(xiàng)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(dòng)有序啟動(dòng)。

復(fù)位也會(huì)響應(yīng)低電壓、手動(dòng)復(fù)位或看門狗超時(shí)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(cuò)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(duì)復(fù)位周期持續(xù)時(shí)間的影響最大。不帶PLL的20MHz晶體可以使用短超時(shí)，但使用PLL鎖相至32MHz的20kHz晶體需要更長(zhǎng)的超時(shí)。

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(duì)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(kāi)路輸出，或兩者兼而有之。

漏極開(kāi)路輸出通常更靈活。它們?cè)试S簡(jiǎn)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(kāi)路輸出允許復(fù)位輸出被多個(gè)電源拉低，而不會(huì)發(fā)生爭(zhēng)用。這種靈活性的代價(jià)是外部上拉電阻。

單電壓系統(tǒng)中的推挽輸出很簡(jiǎn)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(duì)于兩個(gè)內(nèi)部電壓監(jiān)視器，它有一個(gè)推挽復(fù)位輸出，可以在地和3.3V電源軌之間擺動(dòng)，或者（在另一個(gè)版本中）在地和5V電源軌之間擺動(dòng)。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?，雙監(jiān)控器可能有兩個(gè)輸出 - 一個(gè)與3.3V監(jiān)視器相關(guān)聯(lián)，另一個(gè)與5V監(jiān)視器相關(guān)聯(lián)。您可以選擇每個(gè)輸出擺幅到相應(yīng)監(jiān)控軌的版本，或者兩個(gè)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(huì)對(duì)電源電壓施加電壓瞬變，無(wú)論電源電壓是由線性穩(wěn)壓器還是開(kāi)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(shí)保持對(duì)電源電壓的連續(xù)監(jiān)控。圖表（典型器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供）提供了有關(guān)瞬態(tài)過(guò)驅(qū)幅度和持續(xù)時(shí)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(shí)間與過(guò)驅(qū)的關(guān)系（圖表）

如您所見(jiàn)，50μsec、50mV 瞬態(tài)電壓不會(huì)重置器件;重置僅針對(duì)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)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(qǐng)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(shí)器：

看門狗定時(shí)器檢查軟件是否正確執(zhí)行。如果軟件因錯(cuò)誤或硬件故障而陷入循環(huán)，看門狗定時(shí)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(gè)定時(shí)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(shí)器復(fù)位（邊沿轉(zhuǎn)換）放置在確保在超時(shí)期限過(guò)前重置看門狗的位置。

實(shí)現(xiàn)看門狗定時(shí)器的藝術(shù)是放置定時(shí)器復(fù)位，以便它們排除卡住循環(huán)的可能性。一個(gè)方便的提示是在序列中的下一個(gè)例程中強(qiáng)制從低到高的轉(zhuǎn)換，在序列中的下一個(gè)例程中強(qiáng)制從高到低的轉(zhuǎn)換。然后，如果軟件卡在其中一個(gè)例程中，將進(jìn)行重置。在單個(gè)子程序中放置低-高-低脈沖不會(huì)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(kuò)展上電和穩(wěn)定要求的處理器，一些監(jiān)控器提供更長(zhǎng)的初始看門狗周期。較長(zhǎng)的時(shí)間段允許處理器有時(shí)間初始化和配置自身，然后再實(shí)施后續(xù)更短、更嚴(yán)格的看門狗間隔。

手動(dòng)復(fù)位：

手動(dòng)復(fù)位使用戶和功能測(cè)試設(shè)備可以輕松訪問(wèn)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(wú)需外部電阻，還允許使用簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)接口。與手動(dòng)復(fù)位輸入相關(guān)的另一個(gè)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(shí)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(wú)需外部開(kāi)關(guān)去抖動(dòng)電路。

手動(dòng)重置通常會(huì)觸發(fā)重置周期。但是，為了減少測(cè)試時(shí)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(duì)于MAX6390D4，手動(dòng)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(dòng)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(shí)間段內(nèi)復(fù)位，而不是取決于手動(dòng)復(fù)位輸入保持低電平的時(shí)間。該功能對(duì)于減少產(chǎn)品組裝和測(cè)試時(shí)間非常方便。

過(guò)壓和負(fù)壓監(jiān)控：

對(duì)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(lái)檢測(cè)過(guò)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(guò)閾值時(shí)強(qiáng)制復(fù)位。與欠壓情況一樣，過(guò)大的電壓會(huì)導(dǎo)致固件和硬件出現(xiàn)意外結(jié)果。強(qiáng)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(guò)多種方式發(fā)生，但簡(jiǎn)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(méi)有電源電壓反饋來(lái)驗(yàn)證其有效性。幸運(yùn)的是，過(guò)壓監(jiān)控器也可以監(jiān)測(cè)負(fù)電壓。對(duì)于過(guò)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(cè)（圖 2）。

圖2.負(fù)電壓監(jiān)測(cè)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(duì)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(guò)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(shí)序控制器采用單電壓監(jiān)控器來(lái)監(jiān)視3.3V電源。當(dāng)該電壓高于其閾值時(shí)，監(jiān)控器會(huì)延遲并增強(qiáng)外部 p 溝道 MOSFET（圖 3）。這種方法對(duì)于低電流應(yīng)用具有成本效益，但對(duì)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(duì)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(dòng)第二個(gè)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(qiáng)了為第二個(gè)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(wú)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(gè)以上電源電壓的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的排序。要對(duì)所有電源進(jìn)行排序，只需為每個(gè)額外的電源電壓添加一個(gè)時(shí)序控制器（圖 4）。

圖4.對(duì)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(duì)于MAX6342系列的IC，復(fù)位門限經(jīng)過(guò)工廠調(diào)整。一個(gè)外部電阻分壓器設(shè)置功率損耗或低電池電量檢測(cè)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(qǐng)選擇具有漏極開(kāi)路輸出的器件，該器件允許使用第二個(gè)監(jiān)控器來(lái)監(jiān)視其他內(nèi)核電壓。

電壓檢測(cè)：

監(jiān)控系統(tǒng)中所有電源電壓的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)。它可以通過(guò)反饋執(zhí)行，也可以由驅(qū)動(dòng)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(cè)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(jiǎn)單的方法與電壓檢測(cè)器達(dá)到相同的結(jié)果。電壓檢測(cè)可能比監(jiān)控提供更多信息，因?yàn)樗梢灾甘灸膫€(gè)電源電壓有問(wèn)題。監(jiān)控通常將所有電壓“或”放在一起并產(chǎn)生單個(gè)復(fù)位，而多電壓檢測(cè)器通常提供漏極開(kāi)路輸出，可以單獨(dú)檢查以確定問(wèn)題的根源。四路電壓監(jiān)視器具有獨(dú)立的漏極開(kāi)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(duì)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(duì)于設(shè)計(jì)可靠系統(tǒng)至關(guān)重要。