摘要

電壓監控器通過(guò)監控電源，在電源發(fā)生故障時(shí)將微控制器置于復位模式，可防止系統出現錯誤和故障，從而提高基于微控制器系統的可靠性。然而，噪聲、電壓毛刺和瞬變等電源缺陷都可能會(huì )導致誤復位問(wèn)題，從而影響系統行為。本文介紹電壓監控器如何解決可能觸發(fā)誤復位的因素，以提高系統性能和可靠性。 

簡(jiǎn)介

對于需要使用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)、微處理器、數字信號處理器和微控制器進(jìn)行數據計算和處理的應用，都必須確保各器件能夠安全可靠地運行。由于這些器件只能在一定的電源容差范圍內運行，因此對電源的要求很高。¹電壓監控器可用于保持系統穩定可靠運行。當電源出現意外故障（例如欠壓或過(guò)壓）時(shí)，電壓監控器可立即觸發(fā)操作，將系統置于重置模式。然而，它在監控電源軌中的電壓時(shí)也會(huì )面對一些干擾因素，這可能會(huì )觸發(fā)不必要的誤復位輸出。這些干擾包括電源噪聲、電壓瞬變和可能來(lái)自電源電路本身的毛刺。

本文將討論電壓監控器中有助于解決這些電源噪聲、電壓瞬變和毛刺問(wèn)題的不同參數。此外還將討論這些參數在監控電源時(shí)如何提高電壓監控器的可靠性，以提高系統在應用中的可靠性。 

系統中的電源噪聲、電壓瞬變和毛刺

電源本身存在缺陷。直流電路中始終存在耦合的噪聲偽影，這些偽影可能來(lái)自電源電路元件本身、其他電源的噪聲以及系統產(chǎn)生的其他噪聲。如果直流電源是開(kāi)關(guān)電源(SMPS)，這些問(wèn)題可能會(huì )更嚴重。SMPS會(huì )產(chǎn)生與開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的開(kāi)關(guān)紋波。在開(kāi)關(guān)轉換期間還會(huì )發(fā)生高頻開(kāi)關(guān)瞬變。這些開(kāi)關(guān)轉換操作是功率MOSFET的快速導通關(guān)斷引起的。圖1所示為應用電路，其中MAX705監控器用于監控開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出（即微控制器的電壓源）是否存在任何問(wèn)題。 

圖1.MAX705監控器用于監控開(kāi)關(guān)穩壓器輸出，這也是微控制器的輸入電壓源。 

除了穩態(tài)運行噪聲偽影外，電源中還存在電壓瞬變更為明顯的情況。在啟動(dòng)過(guò)程中，通常會(huì )觀(guān)察到與電源反饋環(huán)路響應相關(guān)的電壓輸出過(guò)沖，隨后會(huì )出現一段時(shí)間的電壓振鈴，直至電壓穩定。如果未對反饋環(huán)路補償值進(jìn)行優(yōu)化，這種振鈴可能會(huì )更嚴重。在瞬態(tài)或動(dòng)態(tài)負載期間也可以觀(guān)察到電壓過(guò)沖和欠沖。在具體應用中，有時(shí)負載需要更多電流來(lái)執行復雜的過(guò)程，從而導致電壓欠沖。另一方面，立即或以快速斜坡速率減少負載將會(huì )導致電壓過(guò)沖。由于外部因素，電源也可能出現短時(shí)電壓毛刺。圖2顯示在不同場(chǎng)景下，電源電壓可能出現不同的電壓瞬變和毛刺。 

圖2.針對不同場(chǎng)景下的電源電壓可觀(guān)察到的電壓瞬變和毛刺。 

系統中還可能會(huì )出現與電源電壓無(wú)關(guān)的電壓瞬變，例如在某些應用的機械開(kāi)關(guān)或導電卡等用戶(hù)界面發(fā)生瞬變。打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)會(huì )在輸入引腳（通常是手動(dòng)復位引腳）上產(chǎn)生電壓瞬變和噪聲。所有這些因素（電源噪聲、電壓瞬變和毛刺）都可能無(wú)意中達到監控器的欠壓或過(guò)壓閾值，如果設計中沒(méi)有充分考慮這種可能性，也會(huì )觸發(fā)誤復位。這可能會(huì )導致振蕩和不穩定，不利于系統保持穩定可靠。

電壓監控器如何解決噪聲和瞬變問(wèn)題，防止系統出現誤復位？通過(guò)一些參數，可以幫助屏蔽與電源或監控電壓相關(guān)的瞬變。這些參數包括復位超時(shí)周期、復位閾值遲滯以及復位閾值過(guò)驅與持續時(shí)間的變化關(guān)系。同時(shí)，對于與電路中的機械觸點(diǎn)相關(guān)的瞬變，例如手動(dòng)復位引腳中的按鈕開(kāi)關(guān)，利用手動(dòng)復位設置周期和去抖時(shí)間也可屏蔽瞬變。這些參數能夠使電壓監控器更穩健，不受瞬變和毛刺的影響，從而防止系統出現不良響應。 

復位超時(shí)周期(tRP)

在啟動(dòng)期間或電源電壓因欠壓事件而上升并超過(guò)閾值時(shí)，復位信號在無(wú)效之前有一段額外的時(shí)間，稱(chēng)為復位超時(shí)周期(tRP)。2例如，圖3顯示，受監控的電壓（本例中為標記為VCC的電源電壓）從欠壓或啟動(dòng)狀態(tài)達到閾值之后，在低電平有效復位高電平無(wú)效之前存在額外延遲。這段額外的時(shí)間能夠讓監控電壓先穩定下來(lái)，并在啟用系統或使其退出復位模式之前屏蔽過(guò)沖和振鈴。復位超時(shí)周期可抑制系統誤復位，防止出現振蕩和潛在故障，從而有助于提高系統的可靠性。

圖3.復位超時(shí)周期(t_RP)有助于在電源電壓穩定時(shí)使系統保持復位模式。 

閾值遲滯(VTH+)

閾值遲滯主要有兩個(gè)好處。首先，它可以確保監控電壓在解除復位之前具有足夠的余量超過(guò)閾值電平。其次，它能夠讓電源在解除復位之前先穩定下來(lái)。當處理具有疊加噪聲的信號時(shí)，隨著(zhù)電源波動(dòng)并重新跨越閾值區域，復位輸出有可能會(huì )進(jìn)行多次轉換。如圖4.3所示，在工業(yè)環(huán)境等應用中，隨時(shí)可能出現噪聲信號和電壓波動(dòng)。如果沒(méi)有閾值遲滯，復位輸出信號將會(huì )在置位和解除置位之間連續切換，直到電源穩定為止。這會(huì )使系統陷入振蕩。閾值遲滯通過(guò)使系統保持復位來(lái)消除振蕩，可防止系統出現圖4中藍色陰影區域所示的不良行為。這有助于監控器保護系統，避免觸發(fā)誤復位。

圖4.未設定閾值遲滯和設定閾值遲滯的RESET輸出響應（未顯示復位超時(shí)周期，以重點(diǎn)關(guān)注遲滯的影響）。 

復位閾值過(guò)驅與持續時(shí)間

任何系統中都可能出現短期或長(cháng)期由外部因素引起的電壓毛刺。還可能具有不同幅度的電壓突降。復位閾值過(guò)驅與瞬變持續時(shí)間的變化關(guān)系與電壓毛刺或過(guò)驅的幅度和持續時(shí)間有關(guān)。幅度較大的短時(shí)毛刺不會(huì )觸發(fā)復位信號置位，而幅度較小且持續時(shí)間較長(cháng)的過(guò)驅將觸發(fā)復位，如圖5所示。

圖5.幅度較小但持續時(shí)間較長(cháng)的毛刺將觸發(fā)復位信號，而幅度較大的短時(shí)毛刺則不會(huì )觸發(fā)復位信號。 

根據毛刺持續時(shí)間，受監控電源中的某些電壓瞬變將會(huì )忽略。忽略這些瞬變將會(huì )保護系統免受干擾復位的影響，例如由短期毛刺引起的復位。這些毛刺可能會(huì )誤觸發(fā)系統復位，從而導致系統出現不良行為。在產(chǎn)品數據手冊中，復位閾值過(guò)驅與持續時(shí)間的關(guān)系通常以一個(gè)典型性能特性圖的形式呈現，如圖6所示。曲線(xiàn)上方的任何值都將觸發(fā)復位輸出，而曲線(xiàn)內的值將會(huì )忽略，以防止系統誤復位。 

圖6.復位信號是否置位將取決于過(guò)驅的幅度及其持續時(shí)間。  

手動(dòng)復位設置周期(tMR)和去抖時(shí)間(tDB)

復位超時(shí)周期、閾值過(guò)驅與持續時(shí)間的關(guān)系以及閾值遲滯可解決與受監控電壓（通常是系統微控制器的電源）相關(guān)的電壓毛刺和瞬變問(wèn)題。對于開(kāi)關(guān)等機械觸點(diǎn)帶來(lái)的毛刺，手動(dòng)復位設置周期和去抖時(shí)間有助于減輕電壓瞬變和毛刺可能產(chǎn)生的影響。

手動(dòng)復位設置周期(t_MR)是手動(dòng)復位在觸發(fā)復位輸出之前保持并完成所需的時(shí)間。一些監控器具有較長(cháng)的手動(dòng)復位設置周期，以增強對系統的保護。這些在消費電子產(chǎn)品中很常見(jiàn)，必需按住按鈕幾秒鐘才能重置系統。這種方法可避免意外和無(wú)意中重置，從而增強保護并提高可靠性。在手動(dòng)復位設置期間，按下開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的所有短時(shí)瞬變和毛刺都會(huì )被忽略，如圖7a所示，從而幫助系統免受毛刺影響。

去抖時(shí)間也是同樣的邏輯。與建立周期一樣，去抖時(shí)間(t_DB)會(huì )忽略打開(kāi)或關(guān)閉開(kāi)關(guān)時(shí)的高頻周期性電壓瞬變。這些高頻瞬變將視為無(wú)效，不會(huì )觸發(fā)復位，如圖7b所示。當信號超過(guò)去抖時(shí)間時(shí)，即認為這是來(lái)自開(kāi)關(guān)或按鈕的有效輸入信號。

圖7.具有較長(cháng)手動(dòng)復位設置周期的監控器(MAX6444)的手動(dòng)復位設置周期和去抖時(shí)間圖：(a)在復位信號有效之前，需要首先完成手動(dòng)復位建立周期(t_MR)；(b)要視為有效輸入信號，需要完成去抖時(shí)間(t_DB)。 

結論

如果沒(méi)有電壓監控器，系統在電壓瞬變和毛刺期間就會(huì )面臨斷電和發(fā)生故障的風(fēng)險。在這些情況下，電壓監控器通過(guò)將處理器置于復位模式來(lái)解決問(wèn)題。上面討論的所有參數（包括復位超時(shí)周期、閾值遲滯、閾值過(guò)驅、手動(dòng)復位設置周期和去抖時(shí)間）有助于電壓監控器免受故障和瞬變的影響，從而增強其監控電源電壓的可靠性。因此，能夠確保整體系統性能穩定可靠。  

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關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2023財年收入超過(guò)120億美元，全球員工約2.6萬(wàn)人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng )新者不斷超越一切可能。

關(guān)于作者

Noel Tenorio是ADI菲律賓公司的產(chǎn)品應用工程師，主要負責高性能監控產(chǎn)品。他于2016年8月加入ADI公司。在加入ADI公司之前，他在一家開(kāi)關(guān)模式電源研發(fā)公司作為設計工程師工作了六年。他擁有菲律賓八打雁國立大學(xué)電子與通信工程學(xué)士學(xué)位、電力電子專(zhuān)業(yè)電氣工程研究生學(xué)位，以及瑪普阿大學(xué)電子工程理學(xué)碩士學(xué)位。

(注：本文登于《EEPW》2024.1-2)