電壓監測裝置發(fā)揮多重功用

摘要

　　電壓監控裝置及排序器已問(wèn)市多年。目前新推出的裝置都采用數字運作方式，因此可增加靈活性、監視或定序通道的數量、可變電壓閥值及變動(dòng)時(shí)序參數。不過(guò)，即使使用這些新推出的高效能數字監測裝置，舊型模擬監測裝置仍然適用于少部份監視的通道，也可在開(kāi)關(guān)彈回防制之類(lèi)的系統中提供其他功能，或用作定時(shí)元件。

　　市場(chǎng)趨勢使得數字信號處理器 (DSP)、微處理器及現場(chǎng)可程序門(mén)陣列 (FPGA) 制造商不斷提高時(shí)脈頻率以達到更高效能，同時(shí)也需要降低功耗，這兩個(gè)相斥的條件造就了多重電軌裝置的開(kāi)發(fā)。一般多重電軌裝置會(huì )有一個(gè) I/O 電壓，其功能為輸入及輸出供電，例如驅動(dòng)系統總線(xiàn)，與既有邏輯設備進(jìn)行通訊或點(diǎn)亮 LED。I/O 電壓通常為 3.3V 或 5.0V，是電路板上較高的電壓之一。一個(gè)或多個(gè)較低的核心電壓會(huì )用來(lái)驅動(dòng)裝置內的高頻率邏輯。低核心電壓允許邏輯迅速切換，同時(shí)可減少耗電，因為相較于較高電壓，它能夠降低切換耗損。

　　這些高效能多重電壓裝置需要核心電壓的緊密公差 (tight tolerance)，才能使內部邏輯正確運作，并恰當執行軟件程序代碼。此外，在多重電壓裝置中，一般都有通電電壓排序需求，藉以避免在通電及斷電時(shí)造成鎖定與裝置損壞。電壓監測裝器可用于這類(lèi)高效能裝置，以確保在不同的電源條件下順利啟動(dòng)及執行程序代碼。

　　在最簡(jiǎn)單的形式中，電壓監測裝置包含電壓偵測電路，這會(huì )觸發(fā)定時(shí)器重設輸出訊號。不論是電壓監測裝置或定時(shí)器，內部都能夠使用數字或模擬電子裝置。圖 1 顯示了一個(gè)典型的電壓監測電路。電壓偵測電路是帶有遲滯的比較器。需監視的電壓一般會(huì )透過(guò)外部電阻分配器加以劃分，并且與參考電壓相比較。監測裝置通電時(shí)，/RESET 輸出會(huì )下降。當劃分的 SENSE 電壓超過(guò)參考電壓時(shí)，會(huì )觸發(fā)可重復觸發(fā)的單次定時(shí)器。該定時(shí)器會(huì )在一段固定的時(shí)間內將 /RESET 訊號降低，并且將適當的 RESET 訊號發(fā)送給 DSP、微處理器、FPGA 或其他的復雜邏輯設備。

圖 1. 模擬電壓監測裝置

　　除了單純監視電軌之外，某些監測裝置也使用監控定時(shí)器 (WDT) 來(lái)監視 DSP 或微處理器程序代碼的執行。監控定時(shí)器是一種特殊的計時(shí)裝置，如果 DSP 或微處理器無(wú)法定期重設 WDT，便會(huì )觸發(fā)系統重設。圖 2 顯示的是具有電壓監視器及監控定時(shí)器的監測裝置。一般而言，DSP 或微處理器輸出接腳可用來(lái)驅動(dòng)監測裝置的監控輸入。DSP 必須定時(shí)變更輸出的邏輯狀態(tài)，以產(chǎn)生脈沖序列。監控定時(shí)器會(huì )監視此脈沖序列。如果軟件進(jìn)入無(wú)限循環(huán)或中止程序，導致 DSP 停止產(chǎn)生脈沖序列，則監控定時(shí)器會(huì )逾時(shí)，而發(fā)出重設訊號來(lái)重新啟動(dòng) DSP，并能從任何軟件錯誤中恢復。從停止脈沖到重設的時(shí)間長(cháng)度是由組成 WDT 電路的震蕩器及計數器所決定的，并且須視裝置而定。WDT 時(shí)間一般是 0.5 秒至 2 秒。

圖 2. 具有電壓監視及監控定時(shí)器的監測裝置

　　透過(guò)數字方式也能夠使用相同的監測裝置功能。圖 3 顯示使用數字電路采用的相同電壓監測裝置。對于數字監測裝置，仍然會(huì )劃分出需要監視的電壓，以提供模擬數字轉換器 (ADC) 輸入范圍內的偵測電壓 (SENSE)。接著(zhù) ADC 會(huì )將 SENSE 電壓轉換為微處理器可辨識的數字訊號。微處理器的 I/O 接腳可用來(lái)驅動(dòng)開(kāi)汲極 MOSFET，以提供重設訊號。數字監測裝置可提供模擬監測裝置所沒(méi)有的功能。

圖 3. 數字電壓監測裝置

　　數字監測裝置含有微處理器，因此功能與靈活性都比模擬監測裝置好。某些數字監測裝置提供序列信道，能夠與其他電源管理裝置或主要的微處理器進(jìn)行通訊。關(guān)鍵參數及配置信息可儲存于監測裝置中，透過(guò)序列通道即可加以讀取和修改。這使得重設閥值能夠透過(guò)軟件加以修改，完全不需要變更外部電壓分配器。此外，ADC 能夠讓微處理器讀取大范圍的 SENSE 電壓，而模擬監測裝置電壓偵測比較器僅提供訊號來(lái)決定電壓高于或低于參考電壓。大范圍的 SENSE 電壓允許數字監測裝置設定變動(dòng)欠壓監測、變動(dòng)過(guò)壓監測及電壓不足偵測。另外，數字監測裝置使用的大多數微處理器都有許多 I/O 接腳，因此能夠以相同裝置監視多個(gè)電壓電軌。數字電壓監測裝置能夠監測 12 個(gè)不同的電軌，因此非常適用于復雜的大型系統。

　　電壓排序器是衍生自電壓監測器的一種裝置。電壓排序器可用來(lái)驅動(dòng)系統中電源供應的啟用接腳，以提供多重電壓電軌的通電及斷電排序。圖 4 顯示多重電壓電軌系統適用的通電/斷電配置范例。電壓會(huì )隨著(zhù)其他的系統電壓在給定時(shí)間升降。電壓排序器則用來(lái)控制和監視通電及斷電時(shí)序。

圖 4. 通電及斷電排序范例

　　排序器為電源供應提供賦能訊號，而非提供系統 RESET 訊號。排序器一般是數字電路型或微處理器型裝置，能夠針對個(gè)別系統獨特的各種通電及斷電排序可能性與組合進(jìn)行設定。電壓排序器可根據時(shí)間或其他電源供應的狀態(tài)啟用電源供應。啟用電源供應后，電源排序器會(huì )監視欠壓或過(guò)壓事件的電源供應，并且在這些事件發(fā)生時(shí)采取適當動(dòng)作。適當動(dòng)作包括停用被監視電源的供應及其他電源供應、重試失效的電源供應、取消所有電源供應的排序或采取其他設定動(dòng)作。電壓排序器能夠以單一排序 IC控制最多 8 個(gè)電源供應。排序器 ICs 可在必要時(shí)串接，以提供 8 個(gè)以上電源供應的排序。圖 5 顯示的是 8 信道電壓排序器的一般配置。

　圖 5. 8 信道電壓排序器

　　監測裝置的電壓位準觸發(fā)單次基本功能可用于預期用途以外的多種應用。例如，電壓監測裝置的其中一種常見(jiàn)應用是提供按鈕開(kāi)關(guān)的跳動(dòng)消除機制。一般開(kāi)啟時(shí)，按鈕開(kāi)關(guān)都未按下，因此接點(diǎn)不會(huì )接觸而形成電路。其中的機械部份會(huì )快速彈回，因此，在最終機械部份固定而形成電路之前，連接和中斷連接的時(shí)間只有幾毫秒。如果使用開(kāi)關(guān)來(lái)引發(fā)邊緣觸發(fā)邏輯，開(kāi)關(guān)彈回時(shí)會(huì )有多次邏輯錯誤觸發(fā)的情形。放開(kāi)按鈕使得電路成為開(kāi)路時(shí)，開(kāi)關(guān)也會(huì )彈回。

　　大多數的監測裝置都有手動(dòng)重設開(kāi)關(guān)的輸入，而開(kāi)關(guān)與接腳連接 (一般標示為 MR)。按下開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì )啟動(dòng)重設，情況就好像是監測的電壓降低。監測裝置可用來(lái)將按鈕連接于此接腳，以避免按鈕開(kāi)關(guān)彈回。重設時(shí)間必須比使開(kāi)關(guān)不彈回或彈回的時(shí)間更長(cháng)。圖 6 顯示電壓監測裝置做為開(kāi)關(guān)彈回防制電路的范例，其中按鈕開(kāi)關(guān)連接于 TPS3808 的 MR 接腳。開(kāi)關(guān)規格規定彈回時(shí)間最長(cháng) 8 毫秒，而不彈回時(shí)間最長(cháng) 10 毫秒。外部 2.2nF 電容將重設時(shí)間長(cháng)度設定為 13 毫秒，這比不彈回或彈回的時(shí)間都要長(cháng)。圖 7 顯示按鈕輸入及重設輸出的預期波形。

圖 6. 用于開(kāi)關(guān)彈回防制的監測裝置

圖 7. 開(kāi)關(guān)彈回防制電路的時(shí)序

　　圖 8 顯示監測裝置在相機閃光電路中做為簡(jiǎn)單定時(shí)器來(lái)驅動(dòng)高電流白光 LED (WLED) 的另一個(gè)范例。在此范例中，高功率 WLED 是由 1A 的電流驅動(dòng)，因此能夠產(chǎn)生數字攝影所需的高亮度閃光。然而，由于本身封裝的散熱限制，WLED 無(wú)法一直維持這樣的電流量。放開(kāi)閃光按鈕時(shí)，監測裝置會(huì )提供 570 毫秒的 LED 閃光。