緒論
對(duì)于多數(shù)電子系統(tǒng),用上電復(fù)位(POR)電路監(jiān)控系統(tǒng)電壓可以保證正確的上電初始化。此外,用POR監(jiān)視電壓跌落,能夠盡可能避免代碼運(yùn)行中的問題(存儲(chǔ)器不可靠或?qū)е孪到y(tǒng)不能正確運(yùn)行)。為了改善高端系統(tǒng)的可靠性,系統(tǒng)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,閉鎖問題可能導(dǎo)致系統(tǒng)損壞或影響其長期穩(wěn)定性。在大多數(shù)情況下,一個(gè)或多個(gè)微處理器監(jiān)控IC可實(shí)現(xiàn)這些排序和監(jiān)控功能。利用檢測(cè)器和上電復(fù)位電路監(jiān)控電壓
監(jiān)控系統(tǒng)電源電壓的一種簡(jiǎn)單方法是電壓檢測(cè)器,這種IC包括一個(gè)比較器和一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)。當(dāng)電源電壓降到低于電壓檢測(cè)器的閾值時(shí),輸出報(bào)警信號(hào)通知系統(tǒng)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(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行備份、接通或斷開電源或使系統(tǒng)關(guān)斷。上電或斷電期間,當(dāng)電壓檢測(cè)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(bào)警,而在大多數(shù)情況下,微控制器的復(fù)位輸入需要較長的延遲時(shí)間(稱作復(fù)位超時(shí)周期)。上電過程中,系統(tǒng)時(shí)鐘和電源必須在微控制器解除復(fù)位狀態(tài)之前穩(wěn)定下來,而且,處理器的寄存器必須完成初始化。上電復(fù)位(POR)是微處理器監(jiān)控IC的功能之一,提供復(fù)位超時(shí)周期,使系統(tǒng)在微控制器開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(fù)到POR閾值以上后,會(huì)提供同樣的超時(shí)延遲。上電復(fù)位具有不同的固定超時(shí)周期數(shù)和閾值電壓,有些上電復(fù)位芯片還提供電容可調(diào)的超時(shí)周期。
監(jiān)控多電壓系統(tǒng)
大多數(shù)系統(tǒng)監(jiān)控3.3V I/O邏輯電源。為了使系統(tǒng)具有較高可靠性,必須監(jiān)控額外的電源,如核電壓和存儲(chǔ)器電源電壓等。為數(shù)眾多的多電壓微處理器監(jiān)控器能夠勝任這項(xiàng)任務(wù),但給定系統(tǒng)的特殊要求使芯片的選擇余地大大減少。大多數(shù)監(jiān)控器能夠監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)電壓(如5V、3.3V、2.5V和1.8V),實(shí)際應(yīng)用中還會(huì)需要監(jiān)控額外的電壓,這是因?yàn)椴煌?例如存儲(chǔ)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(diào)閾值器件(這種器件可以根據(jù)需要改變門限,但需要外部電阻器)。具有固定和可調(diào)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(zhǔn)電壓低于所監(jiān)控的系統(tǒng)最低電壓。例如,在0.8V,0.9V和1V電源系統(tǒng)中,1.2V基準(zhǔn)器件就不能工作。
近年來,高可靠系統(tǒng)中的電源電壓數(shù)量逐步增加,有些系統(tǒng)需要10個(gè)甚至更多的電源電壓,針對(duì)這種應(yīng)用可以選擇多通道監(jiān)控器件,特別是具有漏極開路輸出的多電壓監(jiān)控器,這種器件的輸出可以將輸出通過邏輯“或”,合并為單一輸出。圖1所示將兩個(gè)MAX6710連接在一起,可監(jiān)控8路電壓,提供一個(gè)復(fù)位輸出信號(hào)。
圖1. 利用兩片漏極開路輸出的多電壓監(jiān)控器監(jiān)控8路電壓,提供單個(gè)復(fù)位輸出。
過壓保護(hù)電路
某些電源不僅需要監(jiān)視欠壓條件,同時(shí)還需要監(jiān)視過壓條件。很多系統(tǒng)中,為了防止損壞昂貴的處理器和ASIC,過壓監(jiān)視已成為必不可少的條件。常用的過壓保護(hù)電路有兩種:一種是由兩個(gè)電壓檢測(cè)器和一個(gè)基準(zhǔn)構(gòu)成的窗口檢測(cè)器,同時(shí)監(jiān)控過壓條件和欠壓條件,也可以選擇專用的窗口檢測(cè)器IC,如MAX6754。另外一種電壓保護(hù)電路包括一個(gè)外部p溝道MOSFET,若電壓超過指定電平,則外部p溝道MOSFET關(guān)閉電源(參見圖2)。圖2. 當(dāng)監(jiān)控電路檢測(cè)到過壓情況時(shí),p溝道MOSFET斷開電源。
電源排序
利用DC-DC電源調(diào)節(jié)器的使能或關(guān)斷引腳可以方便地對(duì)電源進(jìn)行排序。在"菊花鏈"配置中,當(dāng)電源首次上電時(shí),電源要求其上電就緒(POK)信號(hào)(假若有此信號(hào))告知其他電路其電壓是否在余量內(nèi)。POK輸出連接第2個(gè)調(diào)節(jié)器的關(guān)斷或使能引腳,并在有效時(shí)開啟調(diào)節(jié)器,如圖3所示。對(duì)于需要較長延遲的情況,某些調(diào)節(jié)器包括一個(gè)POR,允許在開通下一個(gè)電源前有較長的時(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。
沒有POK信號(hào)時(shí),可以用電壓檢測(cè)器或POR監(jiān)控電源輸出,把檢測(cè)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(dāng)監(jiān)視電壓超過特定閾值時(shí),第2個(gè)電源開啟。存在電源干擾時(shí),特別是監(jiān)控電壓接近于門限值時(shí),檢測(cè)器會(huì)頻繁地接通、關(guān)閉調(diào)節(jié)器。為了避免這種情況,上電復(fù)位電路可在一定程度上改善這種狀況――這也是POR超時(shí)周期帶來的好處。當(dāng)被監(jiān)控電壓低于監(jiān)控器的閾值時(shí),POR輸出在監(jiān)控電壓恢復(fù)到閾值電壓以前保持復(fù)位狀態(tài),并在電壓恢復(fù)正常后繼續(xù)保持最小超時(shí)周期的復(fù)位狀態(tài)。在超時(shí)周期內(nèi),監(jiān)控電壓必須保持大于復(fù)位閾值,從而解除復(fù)位狀態(tài),避免重復(fù)復(fù)位操作。利用POR產(chǎn)生關(guān)斷或使能信號(hào)還允許用戶控制導(dǎo)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(diào)的POR允許改變指定器件的超時(shí)周期。
上電復(fù)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(tǒng)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(wěn)壓器產(chǎn)生前兩路電源,則可以用一個(gè)雙電壓POR監(jiān)視它的兩個(gè)電壓。通過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(duì)更多數(shù)量的電源進(jìn)行順序控制,可以采用多電壓監(jiān)控器件。例如,一個(gè)四電壓檢測(cè)器適合對(duì)4路電源排序。此外,可以采用具有不同延遲的多復(fù)位輸出器件對(duì)多個(gè)電源進(jìn)行順序控制。
開關(guān)元件
使用"銀盒" 或 "磚" 電源時(shí),如果沒有附加電路,有時(shí)無法以受控次序接通或斷開每路電壓。這種電源提供標(biāo)準(zhǔn)電壓(如5V、3.3V、2.5V和1.8V),電壓分布在整個(gè)系統(tǒng)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,電源排序可以通過一個(gè)外部開關(guān)元件控制電源的通/斷。圖4所示用一個(gè)電壓檢測(cè)器連接到MOSFET的柵極,此MOSFET用來控制VCC1的通/斷。系統(tǒng)存在較高電壓,能夠提供足夠的柵-源驅(qū)動(dòng)時(shí),可以選用n溝道MOSFET。但在上電過程中可能引發(fā)其它問題,上電期間,若VCC2先于VCC1達(dá)到足夠高的電平,VCC2將驅(qū)動(dòng)MOSFET使其導(dǎo)通,直到VCC1上升到足夠高的電平,使電壓檢測(cè)器輸出低電平。
圖4. 系統(tǒng)存在較高電壓時(shí),電壓檢測(cè)器通過n溝道MOSFET可以控制低電壓電源的上電順序。
同種類型的電路可以用一個(gè)電壓檢測(cè)器和一個(gè)p溝道MOSFET實(shí)現(xiàn),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(dǎo)通電阻,使其對(duì)大功率應(yīng)用不合適。
在多電壓電源的排序應(yīng)用中,比較簡(jiǎn)單、可靠的方法是利用MAX6891等器件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和排序雙重功能(參見圖5)。這類IC用復(fù)位電路監(jiān)控第一個(gè)電壓來確定該電壓是否在規(guī)定的范圍內(nèi);當(dāng)該電壓達(dá)到指標(biāo)要求時(shí),IC通過其MOSFET驅(qū)動(dòng)器接通MOSFET。內(nèi)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(qū)動(dòng)MOSFET完全導(dǎo)通。
圖5. 主電源上電后,MAX6819接通第二路電源。板上電荷泵增強(qiáng)MOSFET驅(qū)動(dòng),使其導(dǎo)通電阻最小。
余量功能
很多電信、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和服務(wù)器設(shè)備在制造過程中往往采用余量測(cè)試規(guī)程,保證系統(tǒng)的可靠性。“余量”涉及系統(tǒng)(或處理器)的評(píng)估,使系統(tǒng)電源偏離標(biāo)稱電壓進(jìn)行評(píng)估。為了改變電壓,通常用數(shù)字電位器或電流DAC調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)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,還可以通過一個(gè)數(shù)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(duì)所有電源電壓增加或減少±5%或±10%電平,和精細(xì)調(diào)節(jié)(電源以10mV或100mV步長增加或降低);后一種方法允許更詳細(xì)地評(píng)估系統(tǒng)性能。圖6. 執(zhí)行電壓余量的兩種簡(jiǎn)單技術(shù)包括增加一個(gè)數(shù)字電位器或電流DAC到DC-DC轉(zhuǎn)換器的反饋回路。
可以用ADC更精確地測(cè)量這些電源電壓,可以利用微控制器內(nèi)部ADC實(shí)現(xiàn)該功能;然而,在微控制器供電電源降到規(guī)定電壓以下時(shí),內(nèi)部基準(zhǔn)可能超出容限范圍,影響ADC精度。余量測(cè)試期間必須斷開或禁止復(fù)位輸出,這樣系統(tǒng)可以繼續(xù)工作。否則,系統(tǒng)將復(fù)位,無法檢測(cè)到系統(tǒng)失效時(shí)的電源電壓。大規(guī)模系統(tǒng)的余量測(cè)試過程可能需要相當(dāng)長的時(shí)間。
單一芯片集成監(jiān)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(tǒng)中,監(jiān)控器電路可能需要監(jiān)控并排序控制10路以上的電源。隨著系統(tǒng)電源電壓數(shù)量的增加,需要監(jiān)控、排序和余量測(cè)試的IC數(shù)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(fù)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(dāng)困難的任務(wù)。為了降低電路復(fù)雜程度,可以采用可編程系統(tǒng)管理IC,這種IC將監(jiān)控和排序功能集于一體。器件的可編程性簡(jiǎn)化了控制過程的修改。在樣機(jī)和制造階段不需要更換器件。大多數(shù)情況下,可以通過串行接口編程設(shè)置內(nèi)部寄存器,設(shè)置閾值和延遲時(shí)間。板上EEPROM用來存儲(chǔ)這些寄存器的內(nèi)容。
圖7所示為MAX6870系統(tǒng)管理器件監(jiān)控和排序幾個(gè)系統(tǒng)電源的框圖。當(dāng)+12V總線電壓增加并超過其閾值(存儲(chǔ)在MAX6870中)時(shí),MAX6870的一路輸出立即或經(jīng)過一個(gè)延遲周期(也存儲(chǔ)在MAX6870存儲(chǔ)器中)后開啟+5V穩(wěn)壓器。+5V穩(wěn)壓器上升,而且達(dá)到所對(duì)應(yīng)的閾值時(shí),+3.3V電源開啟。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(tǒng)管理器件為電壓監(jiān)控和排序提供一種靈活的方法。
通過編程系統(tǒng)管理器件還可以提供其它監(jiān)控功能(如復(fù)位電路和看門狗定時(shí)器)。系統(tǒng)管理器件通過其模擬和數(shù)字輸入,也可監(jiān)控電源電壓以外的參量。在圖7電路中,AUXIN_ (模擬輸入)和GPI_ (數(shù)字輸入)監(jiān)控一個(gè)溫度讀數(shù)和一個(gè)電流檢測(cè)讀數(shù)。MAX6870包括一個(gè)10位ADC,可量化讀數(shù)。微控器監(jiān)控這些量化數(shù)值的狀態(tài)。溫度傳感器和電流檢測(cè)監(jiān)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指定門限)。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(fù)載。
內(nèi)部ADC簡(jiǎn)化了精確的余量測(cè)試。在余量測(cè)試過程中,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(tǒng)復(fù)位。
評(píng)論
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