【導讀】有經驗的工程師都知道，系統最危險的時刻之一是通電的時候。根據時間常數以及電源軌達到標稱值的順利程度和速度，不同的 IC 和系統零件可能會開啟、鎖定或以不正確的模式開啟，因為這些器件試圖相互配合工作。面臨的更大挑戰是，上電時與時序和壓擺率相關的 IC 性能可能是溫度、相關電容器、機械應力、老化和其他因素的函數。
當工作電壓軌下降至較低的個位數值時，就會加劇潛在的問題，從而減少在標稱電源軌下工作時的動態余量。所有這些因素都有可能造成開啟性能不一致和令人沮喪的調試過程。
因此，模擬 IC 供應商設計出了專用監管 IC，以消除上電時的不確定性和不一致性。本文將定義和描述毛刺問題，然后說明如何通過增加 Analog Devices 的一些小型專用 IC 來避免毛刺。
什么是毛刺？
與諸如“緩沖器”或“可編程”等許多工程術語一樣，“毛刺”的具體含義也是視上下文而定的。毛刺可能是：
● 信號或電源線路上的噪聲引起的尖峰
● 負載瞬態導致的突發性電源軌短暫下降
● 由于柵極驅動器的導通/關斷時間不同，電橋中的上、下MOSFET 意外同時導通時的微秒級時間段（這種情況非常糟糕）
● 由于時序容差和組件之間的差異造成的瞬間不確定信號和競爭情況
本文將探討在接通電源、集成電路過渡到正常工作狀態的“上電”期間可能出現的毛刺，特別是在低電壓系統中。此類上電毛刺特別令人頭疼，因為它們可能導難以調試的間歇性問題，而且這些問題又沒有明顯的關聯性或一致性。由于毛刺誘發條件往往是“在邊緣”，它們的發生可能隨溫度、電源線容差（雖然仍在規格范圍內）、同一設備批次中個別元件的變化以及其他難以確定的因素而發生變化。
什么是毛刺，來源于何處？我們來考慮具有微控制器和相關監控/保護復位 IC 的系統，后者的作用簡單而集中：在上電、掉電和斷電情況下保持系統可靠運行（圖 1）。
圖 1：要了解毛刺來源，首先需要了解簡單的典型微控制器及其相關監控/保護復位 IC 的布局，這兩者都由電池及各自的穩壓器供電。（圖片來源：Analog Devices）
在典型的電池供電型應用中，DC-DC 轉換器由小型低壓電池產生電源軌。監控 IC 一般置于 DC-DC 轉換器和微控制器之間，用于監測電源電壓并啟用或禁用微控制器。
監控 IC 通過準確監測系統電源，然后斷言微控制器的使能輸入或取消其斷言，以確保運行可靠。微控制器的啟用和禁用是通過監控 IC 的復位輸出引腳管理的。該引腳通常是開漏引腳，與一個10 kΩ 上拉電阻器相連接。該監控 IC 可監控電源電壓并在輸入電壓低于復位閾值時發出復位信號。
在受監控電壓升高至其標稱電壓值的閾值后，復位輸出在復位超時周期內保持有效，然后解除。這樣，目標微控制器就可擺脫復位狀態并開始工作。
但是，在監控 IC 開啟并將復位線路拉低之前，復位線路會發生什么？我們仔細觀察典型的上電順序就能找到答案（圖 2）。當電源軌 VCC 開始上電時，微控制器和監管 IC 都處于斷開狀態。因此，復位線路處于浮動狀態，10 kΩ 上拉電阻使其電壓跟蹤 VCC。
圖 2：在典型上電序列中，復位線路處于浮動狀態，所以其電壓可跟蹤電源軌 VCC 的上升情況。（圖片來源：Analog Devices）
這種電壓上升可能在 0.5 V 至 0.9 V 之間，且有可能造成系統不穩定。只要監控 IC 啟動，復位線路就被下拉，從而防止微控制器意外啟動。這種毛刺是所有前幾代監控 IC的共性問題。
低電壓系統將該問題放大
隨著在越來越低的電壓下工作的低功耗設備日趨增多，這種毛刺也就變成了主要問題。我們來考慮具有 3.3 V、2.5 V 和 1.8 V 三個邏輯電平的系統（圖 3）。對于 3.3 V 系統，輸出低壓閾值 (Vol) 和輸入低壓閾值 (Vil) 在 0.4 V 和 0.8 V 之間。如果在 0.9 V 時出現毛刺，將有可能由于開啟和關閉操作導致處理器變得不穩定。
圖 3：邏輯電平從 3.3 V 降至 1.8 V，相關的電壓閾值也是如此。（圖片來源：Analog Devices）
標稱 1.8 V 系統的情況更為敏感。現在，Vol和 Vil 要低得多，分別為 0.45 V 和 0.63 V。在這個系統中，0.9 V 毛刺代表了更大的百分比，使其有更大的潛在錯誤。
毛刺影響了系統運行時，這種情況將如何發展？我們來考慮一下電源電壓 VDD 緩慢上升到 0.9 V，并在該值處保持一小段時間（圖 4）。雖然這個電壓不足以開啟監控 IC，但仍可能開啟微控制器，并使其在不穩定狀態下運行。由于在 0.9 V 時處于不確定狀態，所以微控制器 RESET 輸入會將毛刺解釋為邏輯 1 或 0，從而錯誤地將其啟用或禁用。
圖 4：當電源電壓 VDD 上升至 0.9 V 并保持時，微控制器可能會不穩定地開啟和關斷。（圖片來源：Analog Devices）
這將導致微控制器只執行部分指令或不能完整地寫入存儲器，這僅僅是可能發生的兩種情況，但可能導致系統故障和出現災難性后果。
解決毛刺問題
克服這個問題并不需要恢復到更高的電壓軌，也不需要采用復雜的系統級架構來消除毛刺或將其影響降到最低。相反，我們需要新一代監控 IC，無論在上電或斷電條件下的電壓水平如何，都可以識別問題的獨特方面并防止出現毛刺。
實現這一目的需要采用專有的電路和 IC，如 MAX16162，這是一款具有無毛刺上電功能的毫微功耗電源監控器。有了這款采用四凸點 WLP 和四引腳 SOT23 封裝的小型 IC，只要 VDD 低于閾值電壓，復位輸出就會保持低電平，從而防止復位線路上出現電壓毛刺。一旦達到電壓閾值并且延遲時間結束，復位輸出就取消斷言并啟用微控制器（圖 5）。
圖 5：只要 VDD 低于閾值電壓，MAX16162 就會保持復位輸出為低電平，以防復位線路上出現電壓毛刺。（圖片來源：Analog Devices）
不同于傳統監控 IC 在 VCC 非常低時無法控制復位輸出狀態，MAX16162 的復位輸出保證在達到有效的 VCC 水平之前一直保持斷言狀態。
MAX16161 是 MAX16162 的近親，規格幾乎相同，但存在一個功能差異且前者對一些引腳布局進行了重新定義（圖 6）。該器件配備了手動復位 (MR) 輸入，會在接收到適當的輸入信號時發出復位信號。根據具體選擇，該信號可以是低電平有效或高電平有效信號。相比之下，MAX16162 沒有 MR 輸入，而是配備獨立的 VCC 和 VIN 的引腳，允許閾值電壓低至 0.6 V。
圖 6：MAX16161 和 MAX16162 類似，但在功能和引腳方面有個小區別：MAX16161 配備 MR 輸入，會在收到適當的輸入信號時，發出復位信號，而 MAX16162 則有單獨的 VCC 和 VIN 引腳。（圖片來源：Analog Devices）
定序器與監控器之對比
另一對存在一些重疊和歧義的術語是定序器和監控器。監控器用來監控單個電源電壓，并在規定條件下斷言復位/釋放復位。與此相反，定序器用來協調兩個或多個電源軌之間的相對復位和 “電源良好”斷言。
MAX16161 和 MAX16162 可用作簡單的電源定序器（圖 7）。在第一個穩壓器的輸出電壓變為有效后，MAX16161/MAX16162 會插入一個延遲，并在復位超期后為第二個穩壓器生成使能信號。由于 MAX16161/MAX16162 在電源電壓變為正確值之前永遠不會取消復位，因此受控電源永遠不會被錯誤地啟用。
圖 7：可以對使用 MAX16161 的電路進行配置，這樣該器件不僅可以確保無毛刺上電，還可以管理兩個電源軌之間的電源軌定序。（圖片來源：Analog Devices）
也有許多設計具有多電源軌和更復雜的定序要求。此時，Analog Devices 的 LTC2928 多通道電源定序器和監控器便是一種解決方案（圖 8）。
圖 8：LTC2928 電源定序器管理四個獨立電源軌之間的上電和掉電順序，并使用戶能夠控制關鍵參數。（圖片來源：Analog Devices）
采用這款四通道級聯電源定序器和高精度監控器，設計者只需幾個外部元件就能配置電源管理定序閾值、順序和時間。該器件能夠確保電源軌按所需的順序啟用。除了開機定序外，該器件還可以管理互補的、通常同樣關鍵的斷電定序。
定序輸出用于控制電源使能引腳或 N 溝道傳輸門。其他監控功能包括欠壓和過壓監測及報告，以及生成微處理器復位。報告故障的類型和來源，用于進行診斷。提供單個通道控制功能，以便獨立執行使能輸出和監控功能。對于具有四個以上電源軌的系統，可很容易地連接多個 LTC2928，為無限個電源定序。
結語
每個應用中都有毛刺，但到目前為止這些毛刺還沒有對占主導地位的高電壓應用帶來嚴重問題。現在，電源電壓正在走低，系統開啟可靠性會由于 0.9 V 電壓毛刺而會降低。
如圖所示，設計者可以利用較新的監管 IC 來提高可靠性。這種 IC 實現了無毛刺運行，為低功耗/低電壓應用提供最大限度的系統保護。
來源：Bill Schweber，DigiKey
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