多電壓系統中的監控器

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，多電壓系統開(kāi)始出現。 第一個(gè)這樣的系統是用于邏輯和 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監控器IC 一直跟上日益復雜的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)步伐， 為復雜的多電壓系統提供監測和控制。

隨著(zhù)處理器變得越來(lái)越復雜，確保正常運行變得越來(lái)越復雜，并且對監控電路的要求也越來(lái)越高。

多電壓監控器提供上電復位、正確的排序和連續電壓監控。

當今最先進(jìn)的處理器的較低電壓要求要求使用新的低壓監視器。

現代監控器提供看門(mén)狗定時(shí)器、手動(dòng)復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，多電壓系統開(kāi)始出現。 第一個(gè)這樣的系統是用于邏輯和 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監控器IC 一直跟上日益復雜的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)步伐， 為復雜的多電壓系統提供監測和控制。

多電壓監控

在多電壓系統中，產(chǎn)生上電復位（POR）信號的最簡(jiǎn)單方法是監視3.3V或5V邏輯電源。上電時(shí)，當邏輯電壓上升到其閾值以上時(shí)，監控器啟動(dòng)復位周期，以確保處理器有序開(kāi)啟。只要處理器的電源電壓在規格范圍內（在正常操作期間），監控器就會(huì )繼續監視該電壓的瞬態(tài)和掉電情況。

但是，在較低內核/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(xiàn)性或開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的，那么在復位周期過(guò)后，您如何假設它們在規格范圍內呢？在多電壓設計中僅監控單個(gè)電壓，則可能無(wú)法檢測到供電不當的設備可能正在加載總線(xiàn)或以不穩定的方式響應，從而導致軟件偏離其預期程序。因此，可靠設計的良好基礎必須包括監控所有電壓的能力。

可用的監控器可以監視兩個(gè)、三個(gè)甚至四個(gè)電源電壓，可以使用工廠(chǎng)編程的閾值或工廠(chǎng)和電阻可編程閾值的組合。工廠(chǎng)編程的門(mén)限通常以低于監控電壓電平50mV至100mV的增量提供，因此根據其指定的容差選擇監控器。例如，如果監控器系列指定了 3.3V、3.08V、2.93V 和 2.63V 的門(mén)限，則通過(guò)記下所需電壓及其相應的后綴來(lái)組成器件的部件號。

工廠(chǎng)編程監控器是單芯片器件，無(wú)需外部元件即可進(jìn)行閾值設置。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用器件的工程師。一旦您的公司對特定主管進(jìn)行了資格認證，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。對于單電源系統，您可以在禁用其他輸入后使用相同的多電壓監控器。

多電壓系統中的低壓監控

邏輯電平從5.0V和3.3V向2.5V和1.8V移動(dòng)，因此需要能夠監控低至0.9V電壓的監控器。此類(lèi)監控器應直接在1.8V電壓下工作，因為更高的電壓電平并不總是可用。工作和非活動(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）是低壓系統的另一個(gè)關(guān)鍵特性。許多數據手冊都包含瞬態(tài)持續時(shí)間與電壓過(guò)驅的關(guān)系圖，使設計人員能夠通過(guò)查看電源固有的噪聲特性來(lái)避免令人討厭的復位。

設備操作和功能

目前可用的現成監控器IC系列在滿(mǎn)足系統需求方面非常靈活。除了多電壓監控外，它們還提供使設計更穩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)，以下注意事項至關(guān)重要。

重置周期：

復位周期是所有監控電壓上升到其復位閾值以上后的延遲間隔，在此期間復位輸出保持低電平。流行的值是最小值 140 毫秒。因此，在所有監控電壓升至其閾值以上后，復位引腳保持工作狀態(tài)至少140毫秒。復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)。

復位也會(huì )響應低電壓、手動(dòng)復位或看門(mén)狗超時(shí)而發(fā)生。重置初始化代碼，從而防止處理器執行可能因低電壓或軟件錯誤而損壞的代碼。如果處理器規格允許，增加或減少重置周期可能更合適?？捎闷骷峁?1 毫秒至 1.2 秒的復位周期。

復位周期還允許電源電壓、晶體和鎖相環(huán) （PLL） 穩定。晶體和PLL對復位周期持續時(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(cháng)的超時(shí)。

復位輸出：

/推挽式復位輸出適用于大多數應用，但也提供其他輸出類(lèi)型。對于監控器取代與傳統 8051 產(chǎn)品相關(guān)的 RC 延遲的應用，監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。它們允許簡(jiǎn)單的線(xiàn)或連接，并輕松形成在不同系統電壓下工作的設備的接口。漏極開(kāi)路輸出允許復位輸出被多個(gè)電源拉低，而不會(huì )發(fā)生爭用。這種靈活性的代價(jià)是外部上拉電阻。

單電壓系統中的推挽輸出很簡(jiǎn)單，但多電壓系統中的推挽輸出需要更加小心。例如，考慮用于監視3.3V和5.0V電源的雙監控器。對于兩個(gè)內部電壓監視器，它有一個(gè)推挽復位輸出，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位輸入兼容的版本?；蛘?，雙監控器可能有兩個(gè)輸出 - 一個(gè)與3.3V監視器相關(guān)聯(lián)，另一個(gè)與5V監視器相關(guān)聯(lián)。您可以選擇每個(gè)輸出擺幅到相應監控軌的版本，或者兩個(gè)輸出擺幅到同一軌。

負向瞬變免疫：

嘈雜的數字環(huán)境會(huì )對電源電壓施加電壓瞬變，無(wú)論電源電壓是由線(xiàn)性穩壓器還是開(kāi)關(guān)轉換器產(chǎn)生的。關(guān)鍵目標是避免正常工作期間的誤復位，同時(shí)保持對電源電壓的連續監控。圖表（典型器件的數據手冊中提供）提供了有關(guān)瞬態(tài)過(guò)驅幅度和持續時(shí)間的組合將導致器件復位的指導（圖 1）。

圖1.MAX6381的典型瞬態(tài)持續時(shí)間與過(guò)驅的關(guān)系（圖表）

如您所見(jiàn)，50μsec、50mV 瞬態(tài)電壓不會(huì )重置器件;重置僅針對持續時(shí)間較長(cháng)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。請注意，具有較高瞬態(tài)抑制水平的監控器也可能允許使用需要較少濾波的低成本電源（假設處理器可以容忍由此產(chǎn)生的電源電壓變化）。

看門(mén)狗定時(shí)器：

看門(mén)狗定時(shí)器檢查軟件是否正確執行。如果軟件因錯誤或硬件故障而陷入循環(huán)，看門(mén)狗定時(shí)器將重置處理器并允許其重新初始化自身。為避免復位，軟件必須在每個(gè)定時(shí)器周期結束前在看門(mén)狗輸入端生成邊沿轉換。邊沿轉換（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(mén)狗的可能性。您必須在軟件中將定時(shí)器復位（邊沿轉換）放置在確保在超時(shí)期限過(guò)前重置看門(mén)狗的位置。

實(shí)現看門(mén)狗定時(shí)器的藝術(shù)是放置定時(shí)器復位，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)例程中強制從低到高的轉換，在序列中的下一個(gè)例程中強制從高到低的轉換。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)生復位，因此軟件可以保持鎖定狀態(tài)。

為了適應具有擴展上電和穩定要求的處理器，一些監控器提供更長(cháng)的初始看門(mén)狗周期。較長(cháng)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)施后續更短、更嚴格的看門(mén)狗間隔。

手動(dòng)復位：

手動(dòng)復位使用戶(hù)和功能測試設備可以輕松訪(fǎng)問(wèn)重置處理器。一些監控器產(chǎn)品提供帶內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)復位輸入相關(guān)的另一個(gè)規格是毛刺抑制。為避免意外或令人討厭的復位，輸入應抑制短時(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，為了減少測試時(shí)間，重置周期應該很短。MAX6390 IC的周期約為標準復位周期的八分之一（對于MAX6390D4，手動(dòng)復位脈沖最小值為140msec，復位周期為1.12秒）。

除了電平敏感的手動(dòng)復位輸入外，某些應用可能需要邊沿敏感型輸入，以確保處理器在固定的時(shí)間段內復位，而不是取決于手動(dòng)復位輸入保持低電平的時(shí)間。該功能對于減少產(chǎn)品組裝和測試時(shí)間非常方便。

過(guò)壓和負壓監控：

對于執行自檢的醫療或安全相關(guān)設備，可以使用監控器來(lái)檢測過(guò)壓和欠壓情況。這些器件具有電阻可編程輸入，當監控電壓超過(guò)閾值時(shí)強制復位。與欠壓情況一樣，過(guò)大的電壓會(huì )導致固件和硬件出現意外結果。強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)單的負電壓監視器可以確認預期的電源電壓是否存在且符合規格。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)驗證其有效性。幸運的是，過(guò)壓監控器也可以監測負電壓。對于過(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（圖 2）。

圖2.負電壓監測采用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，多電壓系統通常要求對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(zhù)I/O和內核電壓必須一起上升，并且（通常）內核電壓不得超過(guò)I/O電壓0.30V。排序通常意味著(zhù)I/O電壓必須在內核電壓之前上升。系統還可以指定 I/O 和內核電壓上升之間的延遲周期。

一種用于2電壓系統（I/O = 3.3V和內核= 2.5V）的時(shí)序控制器采用單電壓監控器來(lái)監視3.3V電源。當該電壓高于其閾值時(shí)，監控器會(huì )延遲并增強外部 p 溝道 MOSFET（圖 3）。這種方法對于低電流應用具有成本效益，但對于較高電流，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

對于更高電流的應用，帶電荷泵的專(zhuān)用電源排序器可能更有效。如前例所示，該電路監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。內部電荷泵提供 5.0V 的 Vgs，這充分增強了為第二個(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。外部電容器根據關(guān)系設置延遲。

t延遲（秒） = 2.484x10-6（賽特）。

這些IC還可以在具有兩個(gè)以上電源電壓的應用中實(shí)現簡(jiǎn)單的排序。要對所有電源進(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.對額外的供應進(jìn)行排序。

電源故障比較器：

如果您的系統必須提供斷電或低電池電壓的預警，則可以選擇包含邏輯電平復位電路和電源故障比較器的監控器。例如，對于MAX6342系列的IC，復位門(mén)限經(jīng)過(guò)工廠(chǎng)調整。一個(gè)外部電阻分壓器設置功率損耗或低電池電量檢測的閾值。由于閾值為1.25V，因此可以監控高于和低于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)監控器來(lái)監視其他內核電壓。

電壓檢測：

監控系統中所有電源電壓的重要性怎么強調都不為過(guò)。它可以通過(guò)反饋執行，也可以由驅動(dòng)處理器復位引腳的監控器執行。反饋的形式可以是測量系統電壓的A/D轉換器，也可以是軟件常規監控設備功能。這兩種方法都可以確保工程師在電路板上獲得適當的電源。

另一種簡(jiǎn)單的方法與電壓檢測器達到相同的結果。電壓檢測可能比監控提供更多信息，因為它可以指示哪個(gè)電源電壓有問(wèn)題。監控通常將所有電壓“或”放在一起并產(chǎn)生單個(gè)復位，而多電壓檢測器通常提供漏極開(kāi)路輸出，可以單獨檢查以確定問(wèn)題的根源。四路電壓監視器具有獨立的漏極開(kāi)路輸出。此類(lèi)器件可包括電阻可編程門(mén)限以及工廠(chǎng)編程門(mén)限，以適應 1.8V、2.5V、3.3V、5.0V 或 -5.0V 的電源電壓。內部精密基準電壓源和內部分壓器使這些IC非常緊湊。

總結

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)品可靠性規格相結合，提高了對電源電壓進(jìn)行全面監控或監控的需求。本文介紹了可用于此目的的產(chǎn)品，以及產(chǎn)品功能對于設計可靠系統至關(guān)重要。