多電壓系統(tǒng)監(jiān)控器

多電壓系統(tǒng)監(jiān)控

在多電壓系統(tǒng)中，用來產(chǎn)生上電復(fù)位(por)的簡單辦法是監(jiān)視3.3v或5v邏輯電源。上電期間，當(dāng)邏輯電壓上升至門限以上時(shí)，監(jiān)控器啟動(dòng)一次復(fù)位過程，確保有序地打開處理器。只要處理器的電源電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)(正常工作期間)，監(jiān)控器將連續(xù)監(jiān)控電壓的瞬變和掉電條件。

但是，如何保證較低核電壓/電源電壓下器件工作的完整性？這些電源電壓通常由線性穩(wěn)壓器或開關(guān)電源提供，這種情況下怎樣在復(fù)位周期結(jié)束前保證電壓符合規(guī)范要求？如果在多電壓系統(tǒng)中只監(jiān)視一路電壓，則有可能無法檢測到供電異常的器件，該器件可能加載到總線或出現(xiàn)錯(cuò)誤響應(yīng)，導(dǎo)致軟件偏離所要求的流程。因此，可靠設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是：必須監(jiān)視每一路供電電壓。

現(xiàn)有的監(jiān)控器可監(jiān)視二、三、四路電源電壓，可由工廠設(shè)置門限，或由工廠設(shè)定門限與電阻調(diào)節(jié)相結(jié)合。工廠設(shè)置的門限通常能夠在監(jiān)控電壓以下按照50mv至100mv的步長遞增，根據(jù)對監(jiān)控電路的容差要求進(jìn)行選擇。比如，一個(gè)監(jiān)控器的門限為3.3v、3.08v、 2.93v和2.63v，按照所要求的電壓值和對應(yīng)的后綴確定器件的尾標(biāo)。

工廠設(shè)置的監(jiān)控電路為單芯片器件，無需外部元件設(shè)置門限。由于省去了設(shè)置門限的電阻分壓器，因而省去了一個(gè)功耗源。從另一方面考慮，通過電阻調(diào)節(jié)門限的器件比較適合電壓要求靈活的系統(tǒng)。監(jiān)控電路確定后，可通過替換一個(gè)或兩個(gè)電阻輕松調(diào)節(jié)監(jiān)控門限。對于單電源系統(tǒng)，也可使用同一多電壓監(jiān)控電路，只需禁止其它輸入。

多電壓系統(tǒng)中的低壓監(jiān)控

由于邏輯電源從5.0v或3.3v降至2.5v或1.8v，要求監(jiān)控器能夠監(jiān)測低至0.9v的電壓。這樣的監(jiān)控器直接工作于1.8v電壓，較高的電壓在系統(tǒng)中不再是通用電源，可能無法得到。在有效工作狀態(tài)和無效狀態(tài)下，要求監(jiān)控電路能夠在低至1.0v、甚至更低的電壓下保持有效的復(fù)位信號(hào)。抑制短暫的電源瞬變是低壓系統(tǒng)的另一個(gè)重要特性(良好的瞬變抑制能力)。許多數(shù)據(jù)資料給出了瞬變持續(xù)時(shí)間與電壓過驅(qū)動(dòng)之間的關(guān)系，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)避免由于電源的固有噪聲產(chǎn)生不必要的復(fù)位。

器件工作原理與特性

目前市場上能夠提供的監(jiān)控ic具有非常高的靈活性，滿足系統(tǒng)的各種要求。除了多電壓監(jiān)控外，這些器件還確保設(shè)計(jì)穩(wěn)定性，受硬件、軟件瞬態(tài)條件的影響更小。以下考慮因素對于選擇一款監(jiān)控電路非常重要。 復(fù)位周期:

復(fù)位周期是當(dāng)所有監(jiān)視電壓超出其復(fù)位門限后，復(fù)位輸出保持復(fù)位狀態(tài)的時(shí)間，通常最小值是140ms。這樣，復(fù)位引腳在所有監(jiān)視電壓上升至其門限以上后的140ms (最小值)內(nèi)仍保持復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位命令使軟件回到特定的代碼位置，由此可初始化一次有序啟動(dòng)過程。

出現(xiàn)低電壓、手動(dòng)復(fù)位或看門狗超時(shí)時(shí)也會(huì)導(dǎo)致復(fù)位。復(fù)位信號(hào)將對代碼進(jìn)行初始化，避免處理器運(yùn)行在由于低電壓或軟件缺陷而被破壞的代碼中。如果處理器規(guī)范允許，可適當(dāng)增加或降低復(fù)位周期，目前器件可提供的復(fù)位周期范圍是1ms至1.2s。

復(fù)位周期可為電源電壓、晶體和鎖相環(huán)達(dá)到穩(wěn)定提供足夠的時(shí)間。晶體和pll對復(fù)位周期的選擇影響最大，不帶pll的20mhz晶體只需較短的復(fù)位超時(shí)周期，但通過pll鎖相至20mhz的32khz晶體則需要較長的超時(shí)周期。

復(fù)位輸出:

低電平有效的推挽式復(fù)位輸出適用于多數(shù)應(yīng)用，器件也可提供其它輸出類型，如，在一個(gè)傳統(tǒng)的8051應(yīng)用中采用監(jiān)控電路取代rc延遲電路時(shí)，監(jiān)控電路須提供高電平有效的推挽輸出、或低電平有效的開漏輸出、或同時(shí)提供這兩種輸出。

開漏輸出一般更加靈活，這種輸出允許簡單的“線或”連接，并可輕松地與工作在多電壓系統(tǒng)中的其它器件連接。開漏輸出可通過多種互不相連的復(fù)位信號(hào)源拉低輸出。當(dāng)然，這種靈活性需要接外部上拉電阻。 單電源系統(tǒng)的推挽輸出非常簡單，但在多電壓系統(tǒng)應(yīng)用中要多加注意。例如，用兩路電壓監(jiān)控電路監(jiān)視3.3v和5.5v電源。對于有一路推挽復(fù)位輸出的兩個(gè)內(nèi)部電壓監(jiān)控電路，其輸出擺幅在地與3.3v之間或地與5.5v之間(另一電路)。這時(shí)可以選擇電壓擺幅與處理器復(fù)位輸入一致的輸出。有時(shí)，雙電壓監(jiān)控器可能具有兩路輸出：一路用于監(jiān)視3.3v，另一路用于監(jiān)視5.5v。根據(jù)對復(fù)位輸出擺幅的要求，輸出擺幅分別為對應(yīng)的監(jiān)控電壓、或兩路輸出擺幅均在同一電源電壓，選擇監(jiān)控器。

負(fù)向電壓瞬變抑制:

無論是由線性穩(wěn)壓器供電，還是開關(guān)轉(zhuǎn)換器供電，嘈雜的數(shù)字環(huán)境都會(huì)造成電源電壓的瞬變。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是能夠連續(xù)監(jiān)視電源電壓，并在正常工作器件避免不必要的復(fù)位。下圖(可在指定器件的數(shù)據(jù)資料中找到)說明了造成器件復(fù)位的瞬間過驅(qū)動(dòng)幅度和持續(xù)時(shí)間(圖1)。

如圖所示，50μs、50mv的瞬變不會(huì)引起器件復(fù)位，復(fù)位發(fā)生在更長的持續(xù)時(shí)間或更大的瞬變幅度下。該圖說明了器件避免不必要復(fù)位的方式。注意，能夠抑制更高電平瞬變的監(jiān)控電路允許使用低成本電源，需要較少的濾波元件(假設(shè)處理器能夠接受相應(yīng)的電源電壓變化)。

看門狗定時(shí)器:

看門狗定時(shí)器用于保證軟件的正常工作，如果由于程序缺陷或硬件故障導(dǎo)致軟件停留在一閣死循環(huán)中，看門狗定時(shí)器將復(fù)位處理器，使處理器重新初始化。為避免復(fù)位，在定時(shí)器的每個(gè)超時(shí)周期結(jié)束之前，軟件必須在看門狗輸入端產(chǎn)生一個(gè)跳變沿。跳變沿(一個(gè)低電平或高電平輸入)排除了處理器閉鎖輸出禁止看門狗工作的可能性。必須在超時(shí)周期結(jié)束(產(chǎn)生看門狗復(fù)位)之前，由軟件復(fù)位定時(shí)器(一個(gè)跳變沿)。

看門狗定時(shí)器的巧妙之處在于定時(shí)器復(fù)位，防止軟件進(jìn)入死循環(huán)。設(shè)計(jì)中，可以在一個(gè)子程序中設(shè)置一次由低到高的跳變，而在下一子程序中設(shè)置一次由高到低的跳變。這樣，一旦一個(gè)子程序出現(xiàn)死循環(huán)將會(huì)觸發(fā)一次復(fù)位。如果只在一個(gè)子程序里設(shè)置產(chǎn)生由低到高、由高到低的脈沖則有可能出現(xiàn)死循環(huán)時(shí)不產(chǎn)生復(fù)位，造成軟件閉鎖。

為了滿足處理器供電更加嚴(yán)格的上電和穩(wěn)定性要求，一些監(jiān)控電路需要提供較長的初始化看門狗周期，從而為處理器提供足夠的時(shí)間進(jìn)行初始化，在執(zhí)行后續(xù)的更短時(shí)間、更嚴(yán)格的看門狗復(fù)位間隔之前進(jìn)行完成自身的配置。

手動(dòng)復(fù)位:

手動(dòng)復(fù)位為用戶和器件功能測試提供了一種簡便的處理器復(fù)位方式。有些監(jiān)控產(chǎn)品提供低電平有效的復(fù)位輸入，帶內(nèi)部上拉電阻，無需外部電阻，并可使用簡單的開關(guān)接口。與手動(dòng)復(fù)位輸入有關(guān)的一個(gè)特殊功能是干擾抑制。干擾抑制電路可防止不必要的復(fù)位，并省去了外部開關(guān)去抖電路。
手動(dòng)復(fù)位觸發(fā)一次復(fù)位周期，為降低測試時(shí)間，復(fù)位時(shí)間應(yīng)盡量短。max6390 ic非常適合這種要求，其手動(dòng)復(fù)位時(shí)間為典型復(fù)位時(shí)間的1/8 (對于max6390d4，手動(dòng)復(fù)位脈沖最小值為140ms，典型復(fù)位時(shí)間為1.12s)。

除了電平手動(dòng)復(fù)位輸入外，一些應(yīng)用中可能需要邊沿手動(dòng)復(fù)位輸入，以確保處理器在固定周期內(nèi)完成復(fù)位過程，而與手動(dòng)復(fù)位輸入保持低電平的時(shí)間無關(guān)。這一特點(diǎn)對于降低產(chǎn)品組裝時(shí)間和測試時(shí)間非常方便。

過壓和負(fù)壓監(jiān)視:

對于需要自檢的醫(yī)療或安全設(shè)備，監(jiān)控器可使能過壓和欠壓檢測。這些器件具有電阻可編程輸入，當(dāng)被監(jiān)視電壓超出對應(yīng)的門限時(shí)，強(qiáng)制復(fù)位。與欠壓條件類似，過壓也會(huì)在固件和硬件中產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果。強(qiáng)制處理器進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)有助于減輕潛在的不安全因素。
發(fā)生模擬輸出故障有多種原因，但一個(gè)簡單的負(fù)壓監(jiān)視器可以確定所要求的電源電壓是否存在或是否合乎規(guī)范要求。例如，具有-5v或-15v電源的模擬電路，模擬輸出會(huì)在沒有電源電壓反饋的情況下驗(yàn)證電路的有效性。幸運(yùn)的是，過壓監(jiān)視器也能用來監(jiān)視負(fù)壓。對于過壓故障，通過電源和vcc之間的外部電阻分壓器檢測電源電壓(圖2)。

電源排序:

為在上電過程中防止出現(xiàn)閉鎖并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，多電壓監(jiān)控系統(tǒng)通常對vi/o到vcore電壓或vcore到vi/o電壓進(jìn)行排序、跟蹤。跟蹤意味著i/o電壓與核電壓同步上升，而且(一般情況下)核電壓不能比i/o電壓超出0.30v。排序表示i/o電源比核電源先上電，系統(tǒng)通常還會(huì)指定從i/o電源上電到核電源上電的延遲時(shí)間。

雙電源系統(tǒng)(i/o = 3.3v和核電壓 = 2.5v)電源排序的一種方法是采用單電源監(jiān)控器檢測3.3v電源。當(dāng)電壓超出指定門限時(shí)，監(jiān)控器觸發(fā)延遲并驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部p溝道m(xù)osfet (圖3)。這種方法具有較高的性價(jià)比，適合小電流應(yīng)用。大電流情況下，具有低vgs門限、低rdson的p溝道fet的成本會(huì)很高。

對于更大電流的應(yīng)用，可以使用帶電荷泵的電源排序器。如上例所述，通過監(jiān)視一路電源電壓并驅(qū)動(dòng)外部fet，開啟第二路電源。由于ic允許使用n溝道fet，與p溝道器件相比可有效節(jié)省成本。內(nèi)部電荷泵提供5.0v vgs電壓，增強(qiáng)n溝道fet驅(qū)動(dòng)，提供第二路系統(tǒng)供電電源。n-fet不僅成本低，而且rdson也更低。

max6819和max6820是采用sot-23封裝的電源排序器，無需外部電荷泵電容。max6819具有固定的200ms延時(shí)，max6820提供可變延時(shí)，由外部電容設(shè)置延時(shí)，如下式所示：對于更大電流的應(yīng)用，可以使用帶電荷泵的電源排序器。如上例所述，通過監(jiān)視一路電源電壓并驅(qū)動(dòng)外部fet，開啟第二路電源。由于ic允許使用n溝道fet，與p溝道器件相比可有效節(jié)省成本。內(nèi)部電荷泵提供5.0v vgs電壓，增強(qiáng)n溝道fet驅(qū)動(dòng)，提供第二路系統(tǒng)供電電源。n-fet不僅成本低，而且rdson也更低。

max6819和max6820是采用sot-23封裝的電源排序器，無需外部電荷泵電容。max6819具有固定的200ms延時(shí)，max6820提供可變延時(shí)，由外部電容設(shè)置延時(shí)，如下式所示：

tdelay(sec) = 2.484x10-6(cset)。

在多于兩路電源的應(yīng)用中，這些ic還可用來直接排序。為對每路電源進(jìn)行排序，需要為每個(gè)電源增加一個(gè)排序器(圖4)。

電源失效比較器:

如果系統(tǒng)要求提供電源失效報(bào)警或低電池電壓報(bào)警，可選擇包擴(kuò)邏輯電平復(fù)位和電源失效檢測比較器的監(jiān)控電路。例如，max6342系列ic，復(fù)位門限由工廠設(shè)置。外部電阻分壓器用于設(shè)置電源失效檢測門限或低電池電壓檢測門限。由于門限電壓為1.25v，可用于監(jiān)視高于和低于vcc的電壓，最小門限為1.25v。對于更多的電源電壓，可以選擇開漏輸出器件，利用第二個(gè)監(jiān)控器監(jiān)視其它核電壓。

電壓檢測:

監(jiān)視系統(tǒng)不能過分強(qiáng)調(diào)對所有電源電壓進(jìn)行監(jiān)控的重要性?？赏ㄟ^反饋電路或驅(qū)動(dòng)處理器復(fù)位引腳的監(jiān)控電路實(shí)現(xiàn)。反饋可以是測量系統(tǒng)電壓的a/d轉(zhuǎn)換器，或通過軟件監(jiān)視器件功能。每種方法都可確保電路板正確供電。

另一簡便方法是采用電壓檢測器，可獲得同樣結(jié)果。電壓檢測比監(jiān)控電路提供更加清晰的信息，可以指出哪路電源電壓出現(xiàn)了故障。監(jiān)控電路通常對所有電壓監(jiān)控輸出進(jìn)行“或”運(yùn)算，產(chǎn)生單路復(fù)位輸出，多路電壓檢測器則提供漏極開路輸出，分別檢查每路電壓，以確定哪路電源出現(xiàn)問題。例如，4電壓監(jiān)視器采用獨(dú)立的漏極開路輸出，器件包含電阻可編程門限以及工廠預(yù)設(shè)門限，用于監(jiān)視1.8v、2.5v、3.3v、5.0v或-5.0v電源電壓。內(nèi)部精密電壓基準(zhǔn)和電阻分壓器使這些ic結(jié)構(gòu)非常緊湊。

結(jié)論

多電源供電、越來越小的管芯尺寸以及對產(chǎn)品可靠性要求的不斷提高，迫切需要完備的電源監(jiān)控或電源電壓監(jiān)視器。本文介紹了針對這一目的或用于高可靠性系統(tǒng)設(shè)計(jì)的監(jiān)控產(chǎn)品。