【導(dǎo)讀】嵌入式系統(tǒng)等需要進(jìn)行大量計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用，通常使用微控制器、微處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)等器件來(lái)執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算例程，因?yàn)檫@些器件具有多功能性、高速度和靈活性。然而，這些推薦使用的器件也存在限制和不同的電源要求，如果在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的早期階段未加考慮，系統(tǒng)的性能和可靠性可能會(huì)受影響。其中一個(gè)限制是掉電狀況下系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障。當(dāng)電源電壓降至最低工作電壓以下時(shí)，微控制器可能會(huì)發(fā)生故障并導(dǎo)致系統(tǒng)出錯(cuò)。幸運(yùn)的是，電壓監(jiān)控器專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于解決這個(gè)問(wèn)題。
嵌入式系統(tǒng)等需要進(jìn)行大量計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用，通常使用微控制器、微處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)等器件來(lái)執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算例程，因?yàn)檫@些器件具有多功能性、高速度和靈活性。然而，這些推薦使用的器件也存在限制和不同的電源要求，如果在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的早期階段未加考慮，系統(tǒng)的性能和可靠性可能會(huì)受影響。其中一個(gè)限制是掉電狀況下系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障。當(dāng)電源電壓降至最低工作電壓以下時(shí)，微控制器可能會(huì)發(fā)生故障并導(dǎo)致系統(tǒng)出錯(cuò)。幸運(yùn)的是，電壓監(jiān)控器專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于解決這個(gè)問(wèn)題。
本文討論了高性能電壓監(jiān)控器，包括ADI公司產(chǎn)品系列中的一些產(chǎn)品，介紹了電壓監(jiān)控器的功能、輸入和輸出基礎(chǔ)以及高性能電源監(jiān)控產(chǎn)品的其他基礎(chǔ)知識(shí)。
01 電壓監(jiān)控器定義及其工作原理
電壓監(jiān)控器是一類(lèi)用于監(jiān)控電壓供應(yīng)軌的器件，只要滿(mǎn)足監(jiān)控條件，它就會(huì)提供一個(gè)可用來(lái)執(zhí)行某種操作的輸出。它會(huì)檢測(cè)被監(jiān)控電壓供應(yīng)軌是否低于或超過(guò)預(yù)定義的電壓水平（稱(chēng)為閾值）。它提供的輸出信號(hào)通常稱(chēng)為復(fù)位信號(hào)，用于將另一個(gè)器件置于另一種工作模式，例如復(fù)位模式或活動(dòng)模式。對(duì)于那些在特定電壓范圍之外運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤和故障的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，使用電壓監(jiān)控器也是十分合適的。有時(shí)，復(fù)位輸出也用于使能和禁用另一個(gè)器件，例如在任何需要一定輸入電壓范圍才能正常運(yùn)行的應(yīng)用中。一個(gè)典型的應(yīng)用例子是使用電壓監(jiān)控器來(lái)讓穩(wěn)壓器正常運(yùn)行，如圖1a所示。為了確保啟動(dòng)期間正常運(yùn)行，LDO穩(wěn)壓器要求輸入中有足夠的能量，或者說(shuō)需要足夠高的輸入電壓水平。
眾所周知，電壓監(jiān)控器是與微控制器或MCU密切相關(guān)的搭檔。當(dāng)命令正在執(zhí)行的時(shí)候，如果電源電壓降至最低工作范圍以下，MCU就有發(fā)生故障和造成系統(tǒng)出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。在這種情況下，MCU的電源電壓即為被監(jiān)控電壓，MCU的最低工作電壓應(yīng)為閾值電壓。我們將在文中進(jìn)一步討論如何定義閾值電平。用于監(jiān)控微控制器電源的電壓監(jiān)控器的一個(gè)簡(jiǎn)單例子是ADM809如圖1b所示。監(jiān)控器檢測(cè)被監(jiān)控的電壓水平，并將其饋入 VCC 引腳。一旦被監(jiān)控的電壓低于閾值，低電平有效復(fù)位輸出就會(huì)將微處理器置于復(fù)位模式，直至電壓供應(yīng)恢復(fù)到正常水平。
圖1. ADM809是電壓監(jiān)控器的一個(gè)簡(jiǎn)單例子，它監(jiān)控輸入電壓以(a)在輸入電壓水平處于正確范圍以?xún)?nèi)時(shí)使能LDO穩(wěn)壓器，并(b)在掉電狀況下將微處理器系統(tǒng)置于復(fù)位模式。
02 電壓監(jiān)控器有哪些重要輸入規(guī)格參數(shù)？
關(guān)于電壓監(jiān)控器，需要了解四個(gè)重要輸入規(guī)格參數(shù)。這將有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員實(shí)施電壓監(jiān)控器來(lái)提升系統(tǒng)在應(yīng)用中的可靠性。這些規(guī)格參數(shù)包括復(fù)位閾值、閾值精度、復(fù)位閾值滯回和上電復(fù)位。
復(fù)位閾值
復(fù)位閾值是電壓電平；當(dāng)被監(jiān)控的電壓低于此值時(shí)，它就會(huì)發(fā)出復(fù)位信號(hào)。在電壓監(jiān)控器產(chǎn)品中，復(fù)位閾值通常標(biāo)記為 VTH。當(dāng)被監(jiān)控電壓 VCC降至復(fù)位閾值電壓 VTH以下時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生低電平復(fù)位輸出，如圖2中的時(shí)序圖所示。在應(yīng)用中，閾值電壓設(shè)置為允許系統(tǒng)正常運(yùn)行的最小電壓。
圖2. 電壓監(jiān)控器的被監(jiān)控電壓 VCC和復(fù)位輸出信號(hào)的時(shí)序圖。
設(shè)置復(fù)位閾值的一種方法是通過(guò)外部電阻分壓器。被監(jiān)控電壓的一小部分與基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行比較，以了解被監(jiān)控電壓是否高于或低于復(fù)位閾值，如圖3a所示。ADM8612 是此配置的一個(gè)例子。一些電壓監(jiān)控器的復(fù)位閾值是在工廠通過(guò)激光調(diào)整由內(nèi)部電阻分壓器設(shè)置的，例如 MAX16140。這帶來(lái)了一些優(yōu)勢(shì)，例如外部元件更少，可以為解決方案騰出額外空間，滿(mǎn)足緊湊型應(yīng)用的需求，如圖3b所示。它還能實(shí)現(xiàn)更高的精度，因?yàn)樗灰蕾?lài)于外部因素（例如使用具有容差的標(biāo)準(zhǔn)值電阻）。然而，外部電阻方案支持靈活地調(diào)整復(fù)位閾值電平。
圖3. 復(fù)位閾值的設(shè)置方法：(a) ADM8612復(fù)位閾值通過(guò)外部電阻分壓器設(shè) 置，(b) MAX16140復(fù)位閾值通過(guò)工廠調(diào)整的內(nèi)部電阻分壓器設(shè)置。
閾值精度
閾值精度是指實(shí)際閾值與計(jì)算的復(fù)位閾值或目標(biāo)復(fù)位閾值的接近程度。一些因素會(huì)影響閾值的精度，包括電阻分壓器和基準(zhǔn)電壓。電阻分壓器和基準(zhǔn)電壓都是模擬電路，受溫度等環(huán)境因素的影響。這導(dǎo)致復(fù)位閾值有一定的容差。基準(zhǔn)電壓和電阻越穩(wěn)健，容差就越嚴(yán)格，閾值精度就越高。閾值精度通常以百分比表示。假設(shè)電壓監(jiān)控器的閾值精度為±1%，閾值設(shè)置為3.3 V，那么實(shí)際閾值可能在3.267 V至3.333 V左右。
了解閾值精度非常重要，因?yàn)檫@對(duì)于設(shè)置復(fù)位閾值至關(guān)重要。如果在設(shè)置復(fù)位閾值時(shí)不考慮精度，系統(tǒng)可能會(huì)陷入不理想的故障區(qū)域。
復(fù)位閾值滯回
復(fù)位閾值滯回是指被監(jiān)控的電壓回到正常區(qū)域后，取消復(fù)位信號(hào)所需的額外電壓。在監(jiān)控欠壓的電壓監(jiān)控器中，復(fù)位閾值滯回通常表示為 VHYST 或 VTH+HYS。滯回有多項(xiàng)益處。首先，它確保被監(jiān)控的電壓回到正常水平，并且相對(duì)于閾值有一定的安全裕量。其次，它能讓電源在復(fù)位取消之前先穩(wěn)定下來(lái)，從而有助于解決電源噪聲和不穩(wěn)定性問(wèn)題。在沒(méi)有滯回的情況下，當(dāng)被監(jiān)控電壓超過(guò)閾值時(shí)，電壓監(jiān)控器會(huì)反復(fù)發(fā)出或取消復(fù)位信號(hào)。這可能發(fā)生在有電源噪聲的應(yīng)用中，或發(fā)生在電池供電的系統(tǒng)中，因?yàn)槭軆?nèi)部電阻的影響，電壓會(huì)隨著負(fù)載電流而下降。圖4中的紫色陰影區(qū)域顯示了一個(gè)例子。同時(shí)，由于存在滯回，復(fù)位輸出將使系統(tǒng)保持復(fù)位模式，直到電源穩(wěn)定，從而消除系統(tǒng)的不穩(wěn)定和振蕩行為，如圖4.4中的藍(lán)色陰影區(qū)域所示。
圖4. 有滯回和無(wú)滯回的復(fù)位輸出行為比較。
上電復(fù)位
在啟動(dòng)期間，當(dāng)電源電壓開(kāi)始上升時(shí)，電壓監(jiān)控器的內(nèi)部電路沒(méi)有足夠的偏置。因此，復(fù)位輸出處于未定義狀態(tài)。隨著電源電壓繼續(xù)上升，它將達(dá)到某一電壓供應(yīng)水平，使電壓監(jiān)控器脫離未定義狀態(tài)并發(fā)出有效的復(fù)位信號(hào)。讓監(jiān)控器處于規(guī)定狀態(tài)并提供有效復(fù)位輸出的最小電源電壓稱(chēng)為上電復(fù)位電壓或 VPOR。考慮圖3b中的電壓監(jiān)控器簡(jiǎn)化示意圖。假設(shè)開(kāi)漏復(fù)位輸出上拉至 VCC，在未定義狀態(tài)下，復(fù)位輸出將反映電源電壓 VCC。這會(huì)在復(fù)位輸出中產(chǎn)生一個(gè)毛刺，稱(chēng)為上電毛刺。當(dāng)電源電壓達(dá)到 VPOR時(shí)，監(jiān)控器就會(huì)發(fā)出有效的復(fù)位輸出信號(hào)，如圖5所示。
圖5. 啟動(dòng)過(guò)程中的上電毛刺和上電復(fù)位電壓 VPOR。
在某些應(yīng)用中，上電毛刺會(huì)被忽略且無(wú)關(guān)緊要，例如在高壓系統(tǒng)中。但是，對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，例如在邏輯高電壓閾值較低的器件中，這是不可取的。
設(shè)計(jì)電壓監(jiān)控器時(shí)，需要考慮的一個(gè)因素是復(fù)位輸出極性和時(shí)序。您可以根據(jù)應(yīng)用選擇極性——低電平有效輸出或是高電平有效輸出。
低電平有效
低電平有效輸出意味著，只要被監(jiān)控電壓低于閾值電壓，復(fù)位輸出就會(huì)變?yōu)榈碗娖健D2中的時(shí)序圖顯示了具有低電平有效輸出的電壓監(jiān)控器的響應(yīng)。為了便于識(shí)別，低電平有效復(fù)位輸出標(biāo)記為RESET（讀作RESET杠）。當(dāng)被監(jiān)控電壓上升到閾值電壓以上時(shí)，RESET輸出將在指定時(shí)間內(nèi)保持有效，然后才會(huì)變?yōu)楦唠娖健４藭r(shí)間延遲稱(chēng)為復(fù)位超時(shí)周期 (tRP)，它可以是固定時(shí)間，也可以通過(guò)外部電容調(diào)整。
高電平有效
根據(jù)輸出要求，系統(tǒng)可能需要高電平有效輸出。與低電平有效輸出相反，在高電平有效輸出中，當(dāng)被監(jiān)控電壓低于閾值時(shí)，復(fù)位輸出變?yōu)楦唠娖剑划?dāng)被監(jiān)控電壓在復(fù)位超時(shí)周期 tRP后上升到閾值電壓以上時(shí)，復(fù)位輸出變?yōu)榈碗娖健D解參見(jiàn)圖6。
圖6. 高電平有效復(fù)位輸出的VCC和復(fù)位信號(hào)的時(shí)序圖。
根據(jù)具體應(yīng)用，需要考慮的另一個(gè)因素是輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主要使用兩種輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——開(kāi)漏拓?fù)浜屯仆焱負(fù)洹?/p>
推挽輸出拓?fù)?/p>
推挽輸出拓?fù)溆梢粚?duì)互補(bǔ)MOSFET組成，如圖7所示。當(dāng)?shù)撞縁ET關(guān)斷且頂部FET導(dǎo)通時(shí)，復(fù)位輸出變?yōu)楦唠娖剑划?dāng)?shù)撞縁ET導(dǎo)通且頂部FET關(guān)斷時(shí)，復(fù)位輸出變?yōu)榈碗娖健Ｍ仆燧敵鎏峁牡碗娖降礁唠娖健母唠娖降降碗娖降膸缀踯壍杰壍母咚夙憫?yīng)。
圖7. 推挽輸出拓?fù)洹?/p>
低電平有效推挽復(fù)位輸出適用于大多數(shù)應(yīng)用，但也可采用其他輸出類(lèi)型。如圖8所示，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留心，尤其是當(dāng)微控制器只有一個(gè)復(fù)位輸入時(shí)。
圖8. 單電壓系統(tǒng)。
開(kāi)漏輸出拓?fù)?/p>
對(duì)于開(kāi)漏拓?fù)洌O(jiān)控電路的復(fù)位輸出是內(nèi)部MOSFET的漏極。為了產(chǎn)生類(lèi)似圖3b所示的邏輯信號(hào)輸出，需要從復(fù)位連接一個(gè)外部上拉電阻到電源電壓。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，復(fù)位信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑划?dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，復(fù)位信號(hào)變?yōu)楦唠娖健Ｉ侠娮杩梢赃B接到除監(jiān)控電路電源之外的電壓軌。這對(duì)于需要不同于監(jiān)控器電源電壓的復(fù)位電平的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常有利。
開(kāi)漏輸出的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是“線或”功能。將兩個(gè)或多個(gè)監(jiān)控電路的開(kāi)漏輸出連接到同一總線上，可以實(shí)現(xiàn)“負(fù)邏輯或”電路。這意味著，當(dāng)任何一個(gè)監(jiān)控電路的復(fù)位輸出變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，總線為低電平。僅當(dāng)所有復(fù)位輸出都是高電平時(shí)，總線才為高電平。如果想要監(jiān)控多個(gè)電源，并在任何一個(gè)電源電壓下降時(shí)觸發(fā)復(fù)位，這種拓?fù)鋾?huì)很方便。
應(yīng)用案例
圖9、10和11顯示了電壓監(jiān)控器不同輸出拓?fù)浜蜆O性的一些典型應(yīng)用案例。圖9顯示了一個(gè)應(yīng)用開(kāi)漏拓?fù)涞亩嚯妷合到y(tǒng)示例。在多電壓軌系統(tǒng)中，可以利用菊花鏈連接的低電平有效輸出來(lái)執(zhí)行時(shí)序控制，如圖10a和10b所示。在某些應(yīng)用中，正確的電源時(shí)序控制可能是首要的考慮因素之一。多軌系統(tǒng)（如基于FPGA的解決方案）通常需要并指定適當(dāng)?shù)碾娫磿r(shí)序，以防止出現(xiàn)系統(tǒng)故障和不穩(wěn)定情況。圖11a和11b顯示了應(yīng)用高電平有效輸出的示例。對(duì)于這些情況，高電平有效輸出用于使能或禁用高側(cè)MOSFET，以實(shí)現(xiàn)開(kāi)/關(guān)控制方案。此類(lèi)配置可用于過(guò)壓保護(hù)、低壓時(shí)序控制等電路。高側(cè)MOSFET也可使用電壓監(jiān)控器的低電平有效輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱文章“利用低電平有效輸出驅(qū)動(dòng)高側(cè)MOSFET輸入開(kāi)關(guān)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率循環(huán)。”
圖9. 多電壓系統(tǒng)共用一個(gè)微處理器復(fù)位輸入。
圖10. 使用低電平有效輸出(a)推挽拓?fù)浜?b)開(kāi)漏拓?fù)涞亩嘬墪r(shí)序控制
圖11. 高電平有效輸出極性的應(yīng)用。(a)采用推挽拓?fù)涞腘溝道MOSFET低壓時(shí) 序控制。(b)采用開(kāi)漏拓?fù)涞腜溝道MOSFET過(guò)壓保護(hù)電路。
電壓監(jiān)控器用于使能、禁用或復(fù)位另一個(gè)器件。監(jiān)控器的常見(jiàn)應(yīng)用是復(fù)位微控制器。監(jiān)控器保護(hù)系統(tǒng)免受錯(cuò)誤和故障的影響，從而提升應(yīng)用的整體可靠性。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮電壓監(jiān)控器的輸入、輸出和時(shí)序規(guī)格。監(jiān)控器具有不同的輸出拓?fù)浜蜆O性，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中可以發(fā)揮不同的優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能并提高系統(tǒng)可靠性。
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