高可靠系統的電源電壓監控和排序

摘要：該應用筆記說(shuō)明高可靠系統中合理監控電源電壓和電源排序的必要性，給出了監控器的選擇標準，并說(shuō)明上電復位(POR)電路、多電壓監控和余量功能的必要性。另外，還討論了系統管理電路。

緒論

對于多數電子系統，用上電復位(POR)電路監控系統電壓可以保證正確的上電初始化。此外，用POR監視電壓跌落，能夠盡可能避免代碼運行中的問(wèn)題(存儲器不可靠或導致系統不能正確運行)。為了改善高端系統的可靠性，系統電源必須有正確的時(shí)序，以防止其微控制器、微處理器、DSP或ASIC閉鎖，閉鎖問(wèn)題可能導致系統損壞或影響其長(cháng)期穩定性。在大多數情況下，一個(gè)或多個(gè)微處理器監控IC可實(shí)現這些排序和監控功能。

利用檢測器和上電復位電路監控電壓

監控系統電源電壓的一種簡(jiǎn)單方法是電壓檢測器，這種IC包括一個(gè)比較器和一個(gè)內部基準。當電源電壓降到低于電壓檢測器的閾值時(shí)，輸出報警信號通知系統微控制器即將發(fā)生電源故障。從而使微控制器能夠以受控方式對存儲器進(jìn)行備份、接通或斷開(kāi)電源或使系統關(guān)斷。

上電或斷電期間，當電壓檢測器改變狀態(tài)時(shí)，在很短的傳輸延遲后即可觸發(fā)輸出跳變。這有利于電源故障報警，而在大多數情況下，微控制器的復位輸入需要較長(cháng)的延遲時(shí)間(稱(chēng)作復位超時(shí)周期)。上電過(guò)程中，系統時(shí)鐘和電源必須在微控制器解除復位狀態(tài)之前穩定下來(lái)，而且，處理器的寄存器必須完成初始化。上電復位(POR)是微處理器監控IC的功能之一，提供復位超時(shí)周期，使系統在微控制器開(kāi)始工作之前完成初始化。同樣，如果上電后電源電壓瞬間跌落至POR閾值，在電源恢復到POR閾值以上后，會(huì )提供同樣的超時(shí)延遲。上電復位具有不同的固定超時(shí)周期數和閾值電壓，有些上電復位芯片還提供電容可調的超時(shí)周期。

監控多電壓系統

大多數系統監控3.3V I/O邏輯電源。為了使系統具有較高可靠性，必須監控額外的電源，如核電壓和存儲器電源電壓等。為數眾多的多電壓微處理器監控器能夠勝任這項任務(wù)，但給定系統的特殊要求使芯片的選擇余地大大減少。

大多數監控器能夠監控標準電壓(如5V、3.3V、2.5V和1.8V)，實(shí)際應用中還會(huì )需要監控額外的電壓，這是因為不同元件(例如存儲器、PLD和ASIC)具有不同的電源要求。因此，需要決定采用固定閾值器件(這種器件不需要外部電阻器)還是更靈活的可調閾值器件(這種器件可以根據需要改變門(mén)限，但需要外部電阻器)。具有固定和可調閾值的組合器件是最好的解決方案。在選擇器件時(shí)，重要的是選擇其基準電壓低于所監控的系統最低電壓。例如，在0.8V，0.9V和1V電源系統中，1.2V基準器件就不能工作。

近年來(lái)，高可靠系統中的電源電壓數量逐步增加，有些系統需要10個(gè)甚至更多的電源電壓，針對這種應用可以選擇多通道監控器件，特別是具有漏極開(kāi)路輸出的多電壓監控器，這種器件的輸出可以將輸出通過(guò)邏輯“或”，合并為單一輸出。圖1所示將兩個(gè)MAX6710連接在一起，可監控8路電壓，提供一個(gè)復位輸出信號。


圖1. 利用兩片漏極開(kāi)路輸出的多電壓監控器監控8路電壓，提供單個(gè)復位輸出。

過(guò)壓保護電路

某些電源不僅需要監視欠壓條件，同時(shí)還需要監視過(guò)壓條件。很多系統中，為了防止損壞昂貴的處理器和ASIC，過(guò)壓監視已成為必不可少的條件。常用的過(guò)壓保護電路有兩種：一種是由兩個(gè)電壓檢測器和一個(gè)基準構成的窗口檢測器，同時(shí)監控過(guò)壓條件和欠壓條件，也可以選擇專(zhuān)用的窗口檢測器IC，如MAX6754。另外一種電壓保護電路包括一個(gè)外部p溝道MOSFET，若電壓超過(guò)指定電平，則外部p溝道MOSFET關(guān)閉電源(參見(jiàn)圖2)。


圖2. 當監控電路檢測到過(guò)壓情況時(shí)，p溝道MOSFET斷開(kāi)電源。

電源排序

利用DC-DC電源調節器的使能或關(guān)斷引腳可以方便地對電源進(jìn)行排序。在"菊花鏈"配置中，當電源首次上電時(shí)，電源要求其上電就緒(POK)信號(假若有此信號)告知其他電路其電壓是否在余量?jì)?。POK輸出連接第2個(gè)調節器的關(guān)斷或使能引腳，并在有效時(shí)開(kāi)啟調節器，如圖3所示。對于需要較長(cháng)延遲的情況，某些調節器包括一個(gè)POR，允許在開(kāi)通下一個(gè)電源前有較長(cháng)的時(shí)間延遲。


圖3. 帶有POK輸出的電源為電源排序提供一種簡(jiǎn)便方法。

沒(méi)有POK信號時(shí)，可以用電壓檢測器或POR監控電源輸出，把檢測器或POR輸出連接到第2個(gè)電源的關(guān)斷或使能輸入引腳。當監視電壓超過(guò)特定閾值時(shí)，第2個(gè)電源開(kāi)啟。存在電源干擾時(shí)，特別是監控電壓接近于門(mén)限值時(shí)，檢測器會(huì )頻繁地接通、關(guān)閉調節器。為了避免這種情況，上電復位電路可在一定程度上改善這種狀況――這也是POR超時(shí)周期帶來(lái)的好處。當被監控電壓低于監控器的閾值時(shí)，POR輸出在監控電壓恢復到閾值電壓以前保持復位狀態(tài)，并在電壓恢復正常后繼續保持最小超時(shí)周期的復位狀態(tài)。在超時(shí)周期內，監控電壓必須保持大于復位閾值，從而解除復位狀態(tài)，避免重復復位操作。利用POR產(chǎn)生關(guān)斷或使能信號還允許用戶(hù)控制導通時(shí)間，POR提供幾微秒~1秒以上的超時(shí)周期。另外，電容可調的POR允許改變指定器件的超時(shí)周期。

上電復位電路還可以控制其它電源的上電順序。例如，在一個(gè)有3個(gè)電源供電的系統中，可以在第3個(gè)電源有效前使前兩個(gè)電源有效。如果用不帶POK輸出的穩壓器產(chǎn)生前兩路電源，則可以用一個(gè)雙電壓POR監視它的兩個(gè)電壓。通過(guò)控制第三路電源的使能或關(guān)斷引腳，使第三路電源順序上電。為了對更多數量的電源進(jìn)行順序控制，可以采用多電壓監控器件。例如，一個(gè)四電壓檢測器適合對4路電源排序。此外，可以采用具有不同延遲的多復位輸出器件對多個(gè)電源進(jìn)行順序控制。

開(kāi)關(guān)元件

使用"銀盒" 或 "磚" 電源時(shí)，如果沒(méi)有附加電路，有時(shí)無(wú)法以受控次序接通或斷開(kāi)每路電壓。這種電源提供標準電壓(如5V、3.3V、2.5V和1.8V)，電壓分布在整個(gè)系統中。例如，一個(gè) "磚" 電源可為兩片不同IC提供3.3V邏輯電源和1.8V核電源。有些情況下，這些IC需要不同的上電順序；一個(gè)器件需要核電壓先上電，而另一個(gè)器件則需要I/O電源先上電。

這種情況下，電源排序可以通過(guò)一個(gè)外部開(kāi)關(guān)元件控制電源的通/斷。圖4所示用一個(gè)電壓檢測器連接到MOSFET的柵極，此MOSFET用來(lái)控制VCC1的通/斷。系統存在較高電壓，能夠提供足夠的柵－源驅動(dòng)時(shí)，可以選用n溝道MOSFET。但在上電過(guò)程中可能引發(fā)其它問(wèn)題，上電期間，若VCC2先于VCC1達到足夠高的電平，VCC2將驅動(dòng)MOSFET使其導通，直到VCC1上升到足夠高的電平，使電壓檢測器輸出低電平。


圖4. 系統存在較高電壓時(shí)，電壓檢測器通過(guò)n溝道MOSFET可以控制低電壓電源的上電順序。

同種類(lèi)型的電路可以用一個(gè)電壓檢測器和一個(gè)p溝道MOSFET實(shí)現，不需要第2個(gè)較高電壓。但是，此電路不適合低壓電源。另外，p溝道MOSFET較高的導通電阻，使其對大功率應用不合適。

在多電壓電源的排序應用中，比較簡(jiǎn)單、可靠的方法是利用MAX6891等器件實(shí)現監控和排序雙重功能(參見(jiàn)圖5)。這類(lèi)IC用復位電路監控第一個(gè)電壓來(lái)確定該電壓是否在規定的范圍內；當該電壓達到指標要求時(shí)，IC通過(guò)其MOSFET驅動(dòng)器接通MOSFET。內部電荷泵為第2路電源增加了一個(gè)固定電壓，用于控制MOSFET的柵極，這有助于確保柵一源電壓足夠高，驅動(dòng)MOSFET完全導通。


圖5. 主電源上電后，MAX6819接通第二路電源。板上電荷泵增強MOSFET驅動(dòng)，使其導通電阻最小。

余量功能

很多電信、網(wǎng)絡(luò )、存儲和服務(wù)器設備在制造過(guò)程中往往采用余量測試規程，保證系統的可靠性?！坝嗔俊鄙婕跋到y(或處理器)的評估，使系統電源偏離標稱(chēng)電壓進(jìn)行評估。為了改變電壓，通常用數字電位器或電流DAC調節DC-DC轉換器的反饋回路。圖6所示是電源余量控制的兩種方法。另外，還可以通過(guò)一個(gè)數字接口編程電源輸出。不同程度的余量控制包括 "合格/失效"，對所有電源電壓增加或減少±5%或±10%電平，和精細調節(電源以10mV或100mV步長(cháng)增加或降低)；后一種方法允許更詳細地評估系統性能。


圖6. 執行電壓余量的兩種簡(jiǎn)單技術(shù)包括增加一個(gè)數字電位器或電流DAC到DC-DC轉換器的反饋回路。

可以用ADC更精確地測量這些電源電壓，可以利用微控制器內部ADC實(shí)現該功能；然而，在微控制器供電電源降到規定電壓以下時(shí)，內部基準可能超出容限范圍，影響ADC精度。余量測試期間必須斷開(kāi)或禁止復位輸出，這樣系統可以繼續工作。否則，系統將復位，無(wú)法檢測到系統失效時(shí)的電源電壓。大規模系統的余量測試過(guò)程可能需要相當長(cháng)的時(shí)間。

單一芯片集成監控、排序和余量功能

盡管很多處理器只需要兩路電源，一路核電源和一路I/O電源，而其它器件(如DSP、ASIC、網(wǎng)絡(luò )處理器和視頻處理器)可能需要5路電源。在一個(gè)完整的系統中，監控器電路可能需要監控并排序控制10路以上的電源。隨著(zhù)系統電源電壓數量的增加，需要監控、排序和余量測試的IC數量也在增加。從而使成本增加，并占用更多的電路板空間。需要改變參量(如電壓閾值，復位暫停周期)時(shí)，還要增加新的器件。此外，改變排序次序也是一個(gè)相當困難的任務(wù)。

為了降低電路復雜程度，可以采用可編程系統管理IC，這種IC將監控和排序功能集于一體。器件的可編程性簡(jiǎn)化了控制過(guò)程的修改。在樣機和制造階段不需要更換器件。大多數情況下，可以通過(guò)串行接口編程設置內部寄存器，設置閾值和延遲時(shí)間。板上EEPROM用來(lái)存儲這些寄存器的內容。

圖7所示為MAX6870系統管理器件監控和排序幾個(gè)系統電源的框圖。當+12V總線(xiàn)電壓增加并超過(guò)其閾值(存儲在MAX6870中)時(shí)，MAX6870的一路輸出立即或經(jīng)過(guò)一個(gè)延遲周期(也存儲在MAX6870存儲器中)后開(kāi)啟+5V穩壓器。+5V穩壓器上升，而且達到所對應的閾值時(shí)，+3.3V電源開(kāi)啟。隨后，其余電源依次以相同的方時(shí)啟動(dòng)。


圖7. 可編程系統管理器件為電壓監控和排序提供一種靈活的方法。

通過(guò)編程系統管理器件還可以提供其它監控功能(如復位電路和看門(mén)狗定時(shí)器)。系統管理器件通過(guò)其模擬和數字輸入，也可監控電源電壓以外的參量。在圖7電路中，AUXIN_ (模擬輸入)和GPI_ (數字輸入)監控一個(gè)溫度讀數和一個(gè)電流檢測讀數。MAX6870包括一個(gè)10位ADC，可量化讀數。微控器監控這些量化數值的狀態(tài)。溫度傳感器和電流檢測監控器均包含一個(gè)比較器，指示已發(fā)生的失效(即溫度或電流是否超過(guò)指定門(mén)限)。每個(gè)比較器輸出連接到MAX6870通用輸入(GPI)，MAX6870被配置成發(fā)生失效條件時(shí)，關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)電源，從而減少+12V電源上的負載。

內部ADC簡(jiǎn)化了精確的余量測試。在余量測試過(guò)程中，可以從ADC寄存器讀取每個(gè)電源的輸出電壓。同樣，余量輸入也可以禁止輸出或編程到已知狀態(tài)，因此，在此期間可避免系統復位。

結論

高端系統中，監控、排序和余量測試有多種方法。新一代系統管理器件可以解決當前系統設計人員面臨的復雜問(wèn)題?？梢杂眯滦?、完全集成的器件替代傳統方案，在單個(gè)芯片中提供更大的靈活性和更多的功能，從而節省電路板空間，降低成本，縮短設計時(shí)間。