嵌入式系統(tǒng)電源監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

1 引言

嵌入式系統(tǒng)對(duì)供電電源要求比較嚴(yán)格．通常都需采用獨(dú)立的穩(wěn)壓器件供電。在嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，通常在電源模塊的交流輸入端為供電提供過(guò)壓保護(hù)，但在直流輸出端一般只是采用穩(wěn)壓器件為系統(tǒng)提供正常的供電，并提供一個(gè)發(fā)光二極管檢測(cè)直流電壓的有無(wú)，并未過(guò)多的考慮系統(tǒng)工作時(shí)電源模塊輸出電壓是否準(zhǔn)確以及能否讓各種器件正常運(yùn)行。針對(duì)這一現(xiàn)象，這里給出一種應(yīng)用于某嵌入式系統(tǒng)的電源監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)方案以及具體的硬件實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思想

嵌入式系統(tǒng)中供電電壓過(guò)高會(huì)損壞器件，而過(guò)低集成電路則導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。因此電源監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)需遵循以下原則：

(1)保護(hù)原則

電壓過(guò)高，必然會(huì)燒壞器件；有時(shí)，電壓過(guò)低，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，可能不僅會(huì)影響器件的正常工作，還會(huì)對(duì)器件造成一定損害。因此，電源監(jiān)控模塊不僅需要實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)，還需要實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)。
(2)預(yù)警原則

在系統(tǒng)工作前，需要對(duì)供電電壓進(jìn)行預(yù)檢測(cè)，判斷電壓是否符合設(shè)定值，并能給出正確的判斷指示。同時(shí)，在系統(tǒng)工作時(shí)，也應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)工作電壓進(jìn)行檢測(cè)判斷，同步指示系統(tǒng)供電是否正常。

在某無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備便攜式檢測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)中，采用ARM與FPGA相結(jié)合的嵌入式主控模塊，主控模塊需+5 V、+3．3 V、+2．5 V和+1．8 V 4種供電電壓，電源監(jiān)控模塊應(yīng)能提供兩種主要功能：在系統(tǒng)啟動(dòng)前能夠?qū)﹄娫垂╇娔K的工作狀況進(jìn)行自檢，并能實(shí)時(shí)的指示電源模塊的工作狀態(tài)；對(duì)系統(tǒng)中的其他模塊提供實(shí)時(shí)的欠壓／過(guò)壓保護(hù)。

3 主要器件選擇及工作原理

3．1 電源監(jiān)控器件

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源模塊采用新型電壓監(jiān)測(cè)器件ADM1184。該器件能夠精確監(jiān)測(cè)嵌入式處理器核心器件的工作電壓，以確保其在容許的電壓范圍內(nèi)運(yùn)行。ADM1184將精確度改善至低于±0．8％．使其符合目前對(duì)于處理器監(jiān)測(cè)需要的要求，因此該器件能廣泛用于如便攜式無(wú)線(xiàn)通信檢測(cè)平臺(tái)等敏感且具有高可靠度的應(yīng)用裝置中，使得系統(tǒng)更安全、更具可靠性，從而達(dá)到最優(yōu)的性能。同構(gòu)型的多重電壓監(jiān)測(cè)器與序列發(fā)生器通常只能達(dá)到大于±1．5％的精確度位準(zhǔn)，要監(jiān)測(cè)在低容錯(cuò)度以及較窄運(yùn)作波段下進(jìn)行低電壓核心電源供應(yīng)的處理器，難以符合需求。ADM1184擁有4組具有0．6 V參考電壓的精密比較器，用來(lái)監(jiān)測(cè)獨(dú)立的電壓通道。該電壓監(jiān)測(cè)器件可以在2．7～5．5 V的供電電源范圍中工作，且具有4組能夠加以編程設(shè)置的輸入，以監(jiān)測(cè)外部不同電壓位準(zhǔn)。

3．2 穩(wěn)壓器件

考慮到系統(tǒng)各模塊所需+5 V電源的電流在2 A，因此需要選擇一種輸出電流較大的穩(wěn)壓器，產(chǎn)生+5 V電壓的器件，這里選用LM2676,如圖1所示。

LM2676是一種開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓器，可提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)能力達(dá)3 A，可逐級(jí)下降的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的所有功能，具有良好的線(xiàn)性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性：使用一只低導(dǎo)通電阻的DMOS電源開(kāi)關(guān)獲得高輸出效率；固定輸出3．3 V，5 V和12 V電壓，或調(diào)節(jié)輸出。

LM2676系列器件內(nèi)置熱擊穿保護(hù)電路、限流電路和開(kāi)關(guān)控制輸入，可將供電降低至50μA靜態(tài)電流的休眠狀態(tài)。該器件具有150 mΩ的DMOS輸出開(kāi)關(guān)電阻，輸出電壓額定偏差為+2％，時(shí)鐘頻率偏差為+11％，效率高達(dá)94％，使用方便。該系統(tǒng)中，主電源為5 V電源，從5 V到3．3 V、2．5 V的轉(zhuǎn)換一般使用LDO(低壓線(xiàn)性穩(wěn)壓器件)。在此選用MIC29302器件，這是一種高精度，低漏電穩(wěn)壓器件，其輸出電流達(dá)800mA，可滿(mǎn)足系統(tǒng)電源要求，其主要電路如圖2所示。

3．3 模塊工作原理

圖3為ADM1184監(jiān)視4個(gè)電源通道的一個(gè)應(yīng)用。在該應(yīng)用中，ADM1184依次開(kāi)啟3個(gè)穩(wěn)壓器，當(dāng)所有的電源供電穩(wěn)定后產(chǎn)生供電正常信號(hào)來(lái)開(kāi)啟控制器。

圖3中，3．3 V主電源通過(guò)引腳VCC給器件供電。引腳VIN1監(jiān)視3．3 V主電源。OUT1連接到第1個(gè)穩(wěn)壓器的使能端，在VIN1腳電壓到達(dá)0．6 V之前，該引腳接地，使得穩(wěn)壓器件不工作。當(dāng)系統(tǒng)的主電壓達(dá)到2．9 V時(shí)，VIN1引腳檢測(cè)到0．6 V。使得OUT1引腳電平置高，驅(qū)動(dòng)穩(wěn)壓器件1的使能腳變高，器件正常輸出。該穩(wěn)壓器輸出的2．5 V電壓被VIN2腳檢測(cè)到，當(dāng)該電壓超過(guò)管腳設(shè)定的門(mén)限電平后，OUT2引腳電平置高，驅(qū)動(dòng)穩(wěn)壓器2的使能引腳變高，器件2正常輸出。該工作原理在其他的輸入和輸出引腳也是同樣的。每一個(gè)電壓通道都通過(guò)OUTx引腳來(lái)開(kāi)啟，通過(guò)VIN(x+1)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)所有監(jiān)控的電壓都超過(guò)預(yù)定的門(mén)限電平后，PWRGD信號(hào)在經(jīng)過(guò)190 ms延時(shí)后置高。


圖4為電壓輸入引腳的具體配置原理。每個(gè)引腳都連接一個(gè)精度比較器，每個(gè)比較器都有一個(gè)0．6 V的基準(zhǔn)電壓，最大精度誤差為0．8％。設(shè)計(jì)中，可通過(guò)連接到VIN1，VIN2，VIN3和VIN4引腳的電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)置被監(jiān)控通道的切換點(diǎn)。4個(gè)比較器監(jiān)視4個(gè)電壓通道。4個(gè)可調(diào)輸入端(VIN1，VIN2，VIN3，VIN)的閾值電平為0．6 V。當(dāng)需監(jiān)控一個(gè)高于0．6 V的電壓信號(hào)時(shí)，可采用如圖4所示的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。圖4中，VIN1引腳監(jiān)測(cè)一個(gè)+3．3 V的電壓信號(hào)。外接的分壓電阻將+3．3 V電壓分壓后接到VIN1引腳。分壓電阻的比例要使當(dāng)主電壓在上電到達(dá)預(yù)定電平(低于正常5 V電平)時(shí)，VIN1引腳上的電壓正好是0．6 V。R7為4．6 kΩ，R35為1．2 kΩ，因此，在2．9 V以下的電壓都不能使得第1個(gè)比較器的輸出置高。

4 結(jié)束語(yǔ)

該電源監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)是建立在某無(wú)線(xiàn)通信綜合檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)用基礎(chǔ)上的一種方案。該方案在對(duì)電壓信號(hào)的監(jiān)控上采用新型監(jiān)控器件，最終測(cè)試后達(dá)到預(yù)定監(jiān)控和保護(hù)要求。該方案可為嵌入式系統(tǒng)的電源監(jiān)控設(shè)計(jì)提供一定參考。