作者：ADI? Noel Tenorio，產(chǎn)品應(yīng)用工程師 Anthony Serquina，產(chǎn)品應(yīng)用工程師

摘要

本文闡述了高性能電壓監(jiān)控器的價值，討論了其基本定 義、工作原理、技術(shù)規(guī)格、拓撲結(jié)構(gòu)和極性。某些高性能 電壓監(jiān)控器旨在幫助基于微處理器的系統(tǒng)提升可靠性，防 止掉電狀況下系統(tǒng)出錯。本文提供了一些示例。

引言

嵌入式系統(tǒng)等需要進行大量計算和數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用，通常使用 微控制器、微處理器和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)等器件來執(zhí)行 復雜的計算例程，因為這些器件具有多功能性、高速度和靈 活性。然而，這些推薦使用的器件也存在限制和不同的電源要求，如果在系統(tǒng)開發(fā)的早期階段未加考慮，系統(tǒng)的性能和可靠 性可能會受影響。其中一個限制是掉電狀況下系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障。當電源電壓降至最低工作電壓以下時，微控制器可能會發(fā) 生故障并導致系統(tǒng)出錯。幸運的是，電壓監(jiān)控器專門設(shè)計用于 解決這個問題。

本文討論了高性能電壓監(jiān)控器，包括ADI公司產(chǎn)品系列中的一些 產(chǎn)品。本文介紹了電壓監(jiān)控器的功能、輸入和輸出基礎(chǔ)以及高 性能電源監(jiān)控產(chǎn)品的其他基礎(chǔ)知識。

電壓監(jiān)控器定義及其工作原理

電壓監(jiān)控器是一類用于監(jiān)控電壓供應(yīng)軌的器件，只要滿足監(jiān)控 條件，它就會提供一個可用來執(zhí)行某種操作的輸出。它會檢測被監(jiān)控電壓供應(yīng)軌是否低于或超過預定義的電壓水平（稱為閾 值）。1 它提供的輸出信號通常稱為復位信號，用于將另一個器 件置于另一種工作模式，例如復位模式或活動模式。對于那些 在特定電壓范圍之外運行會導致錯誤和故障的應(yīng)用來說，使用 電壓監(jiān)控器也是十分合適的。有時，復位輸出也用于使能和禁 用另一個器件，例如在任何需要一定輸入電壓范圍才能正常運 行的應(yīng)用中。一個典型的應(yīng)用例子是使用電壓監(jiān)控器來讓穩(wěn)壓 器正常運行，如圖1a所示。為了確保啟動期間正常運行，LDO穩(wěn) 壓器要求輸入中有足夠的能量，或者說需要足夠高的輸入電壓水平。

眾所周知，電壓監(jiān)控器是與微控制器或MCU密切相關(guān)的搭檔。 當命令正在執(zhí)行的時候，如果電源電壓降至最低工作范圍以 下，MCU就有發(fā)生故障和造成系統(tǒng)出錯的風險。在這種情況 下，MCU的電源電壓即為被監(jiān)控電壓，MCU的最低工作電壓應(yīng)為 閾值電壓。我們將在文中進一步討論如何定義閾值電平。用 于監(jiān)控微控制器電源的電壓監(jiān)控器的一個簡單例子是ADM809， 如圖1b所示。監(jiān)控器檢測被監(jiān)控的電壓水平，并將其饋入VCC引 腳。一旦被監(jiān)控的電壓低于閾值，低電平有效復位輸出就會將 微處理器置于復位模式，直至電壓供應(yīng)恢復到正常水平。3



圖1. ADM809是電壓監(jiān)控器的一個簡單例子，它監(jiān)控輸入電壓以(a)在輸入 電壓水平處于正確范圍以內(nèi)時使能LDO穩(wěn)壓器，并(b)在掉電狀況下將微 處理器系統(tǒng)置于復位模式。

電壓監(jiān)控器有哪些重要輸入規(guī)格參數(shù)？

關(guān)于電壓監(jiān)控器，需要了解四個重要輸入規(guī)格參數(shù)。這將有助 于系統(tǒng)設(shè)計人員實施電壓監(jiān)控器來提升系統(tǒng)在應(yīng)用中的可靠 性。這些規(guī)格參數(shù)包括復位閾值、閾值精度、復位閾值滯回和 上電復位。

復位閾值

復位閾值是電壓電平；當被監(jiān)控的電壓低于此值時，它就會發(fā) 出復位信號。在電壓監(jiān)控器產(chǎn)品中，復位閾值通常標記為VTH。 當被監(jiān)控電壓VCC降至復位閾值電壓VTH以下時，它會產(chǎn)生低電平 復位輸出，如圖2中的時序圖所示。在應(yīng)用中，閾值電壓設(shè)置為 允許系統(tǒng)正常運行的最小電壓。



圖2. 電壓監(jiān)控器的被監(jiān)控電壓VCC和復位輸出信號的時序圖。

設(shè)置復位閾值的一種方法是通過外部電阻分壓器。被監(jiān)控電壓 的一小部分與基準電壓源進行比較，以了解被監(jiān)控電壓是否高于或低于復位閾值，如圖3a所示。ADM8612是此配置的一個例 子。一些電壓監(jiān)控器的復位閾值是在工廠通過激光調(diào)整由內(nèi)部 電阻分壓器設(shè)置的，例如MAX16140。這帶來了一些優(yōu)勢，例如外 部元件更少，可以為解決方案騰出額外空間，滿足緊湊型應(yīng)用 的需求，如圖3b所示。它還能實現(xiàn)更高的精度，因為它不依賴 于外部因素（例如使用具有容差的標準值電阻）。然而，外部 電阻方案支持靈活地調(diào)整復位閾值電平。




圖3. 復位閾值的設(shè)置方法：(a) ADM8612復位閾值通過外部電阻分壓器設(shè) 置，(b) MAX16140復位閾值通過工廠調(diào)整的內(nèi)部電阻分壓器設(shè)置。

閾值精度

閾值精度是指實際閾值與計算的復位閾值或目標復位閾值的接 近程度。一些因素會影響閾值的精度，包括電阻分壓器和基準 電壓。電阻分壓器和基準電壓都是模擬電路，受溫度等環(huán)境因 素的影響。這導致復位閾值有一定的容差?；鶞孰妷汉碗娮柙?穩(wěn)健，容差就越嚴格，閾值精度就越高。閾值精度通常以百分 比表示。假設(shè)電壓監(jiān)控器的閾值精度為±1%，閾值設(shè)置為3.3 V， 那么實際閾值可能在3.267 V至3.333 V左右。

了解閾值精度非常重要，因為這對于設(shè)置復位閾值至關(guān)重要。 如果在設(shè)置復位閾值時不考慮精度，系統(tǒng)可能會陷入不理想的 故障區(qū)域。

復位閾值滯回

復位閾值滯回是指被監(jiān)控的電壓回到正常區(qū)域后，取消復位信 號所需的額外電壓。在監(jiān)控欠壓的電壓監(jiān)控器中，復位閾值滯回通常表示為VHYST或VTH+HYS。滯回有多項益處。首先，它確保被監(jiān) 控的電壓回到正常水平，并且相對于閾值有一定的安全裕量。 其次，它能讓電源在復位取消之前先穩(wěn)定下來，從而有助于解 決電源噪聲和不穩(wěn)定性問題。在沒有滯回的情況下，當被監(jiān)控 電壓超過閾值時，電壓監(jiān)控器會反復發(fā)出或取消復位信號。4,5 這可能發(fā)生在有電源噪聲的應(yīng)用中，或發(fā)生在電池供電的系統(tǒng) 中，因為受內(nèi)部電阻的影響，電壓會隨著負載電流而下降。圖4 中的紫色陰影區(qū)域顯示了一個例子。同時，由于存在滯回，復 位輸出將使系統(tǒng)保持復位模式，直到電源穩(wěn)定，從而消除系統(tǒng) 的不穩(wěn)定和振蕩行為，如圖4.4中的藍色陰影區(qū)域所示。



圖4. 有滯回和無滯回的復位輸出行為比較


上電復位

在啟動期間，當電源電壓開始上升時，電壓監(jiān)控器的內(nèi)部電路 沒有足夠的偏置。因此，復位輸出處于未定義狀態(tài)。隨著電源 電壓繼續(xù)上升，它將達到某一電壓供應(yīng)水平，使電壓監(jiān)控器脫 離未定義狀態(tài)并發(fā)出有效的復位信號。讓監(jiān)控器處于規(guī)定狀態(tài) 并提供有效復位輸出的最小電源電壓稱為上電復位電壓或VPOR。 考慮圖3b中的電壓監(jiān)控器簡化示意圖。假設(shè)開漏復位輸出上拉 至VCC，在未定義狀態(tài)下，復位輸出將反映電源電壓VCC。這會在 復位輸出中產(chǎn)生一個毛刺，稱為上電毛刺。6 當電源電壓達到VPOR 時，監(jiān)控器就會發(fā)出有效的復位輸出信號，如圖5所示。



圖5. 啟動過程中的上電毛刺和上電復位電壓V POR。

在某些應(yīng)用中，上電毛刺會被忽略且無關(guān)緊要，例如在高壓系 統(tǒng)中。但是，對于某些應(yīng)用來說，例如在邏輯高電壓閾值較低 的器件中，這是不可取的。

電壓監(jiān)控器有哪些輸出規(guī)格參數(shù)需要考慮？

設(shè)計電壓監(jiān)控器時，需要考慮的一個因素是復位輸出極性和時 序。您可以根據(jù)應(yīng)用選擇極性——低電平有效輸出或是高電平 有效輸出。

低電平有效

低電平有效輸出意味著，只要被監(jiān)控電壓低于閾值電壓，復位 輸出就會變?yōu)榈碗娖健D2中的時序圖顯示了具有低電平有效輸 出的電壓監(jiān)控器的響應(yīng)。為了便于識別，低電平有效復位輸出 標記為RESET（讀作RESET杠）。當被監(jiān)控電壓上升到閾值電壓以 上時，RESET輸出將在指定時間內(nèi)保持有效，然后才會變?yōu)楦唠?平。此時間延遲稱為復位超時周期(tRP)，它可以是固定時間，也 可以通過外部電容調(diào)整。

高電平有效

根據(jù)輸出要求，系統(tǒng)可能需要高電平有效輸出。與低電平有效 輸出相反，在高電平有效輸出中，當被監(jiān)控電壓低于閾值時， 復位輸出變?yōu)楦唠娖?；當被監(jiān)控電壓在復位超時周期tRP后上升 到閾值電壓以上時，復位輸出變?yōu)榈碗娖?。圖解參見圖6。



圖6. 高電平有效復位輸出的VCC和復位信號的時序圖。

根據(jù)具體應(yīng)用，需要考慮的另一個因素是輸出拓撲結(jié)構(gòu)。主要 使用兩種輸出拓撲結(jié)構(gòu)——開漏拓撲和推挽拓撲。

推挽輸出拓撲

推挽輸出拓撲由一對互補MOSFET組成，如圖7所示。當?shù)撞縁ET關(guān) 斷且頂部FET導通時，復位輸出變?yōu)楦唠娖剑划數(shù)撞縁ET導通且 頂部FET關(guān)斷時，復位輸出變?yōu)榈碗娖?。推挽輸出提供從低電?到高電平、從高電平到低電平的幾乎軌到軌的高速響應(yīng)。



圖7. 推挽輸出拓撲。

低電平有效推挽復位輸出適用于大多數(shù)應(yīng)用，但也可采用其他 輸出類型。如圖8所示，單電壓系統(tǒng)中的推挽輸出很簡單，但多 電壓系統(tǒng)中的推挽輸出需要更加留心，尤其是當微控制器只有 一個復位輸入時。



圖8. 單電壓系統(tǒng)。

開漏輸出拓撲

對于開漏拓撲，監(jiān)控電路的復位輸出是內(nèi)部MOSFET的漏極。為 了產(chǎn)生類似圖3b所示的邏輯信號輸出，需要從復位連接一個外 部上拉電阻到電源電壓。當MOSFET導通時，復位信號變?yōu)榈碗?平；當MOSFET關(guān)斷時，復位信號變?yōu)楦唠娖?。上拉電阻可以連 接到除監(jiān)控電路電源之外的電壓軌。這對于需要不同于監(jiān)控器 電源電壓的復位電平的系統(tǒng)來說非常有利。

開漏輸出的另一個優(yōu)點是“線或”功能。將兩個或多個監(jiān)控電 路的開漏輸出連接到同一總線上，可以實現(xiàn)“負邏輯或”電 路。9 這意味著，當任何一個監(jiān)控電路的復位輸出變?yōu)榈碗娖?時，總線為低電平。僅當所有復位輸出都是高電平時，總線才 為高電平。如果想要監(jiān)控多個電源，并在任何一個電源電壓下 降時觸發(fā)復位，這種拓撲會很方便。

應(yīng)用案例

圖9、10和11顯示了電壓監(jiān)控器不同輸出拓撲和極性的一些典型 應(yīng)用案例。圖9顯示了一個應(yīng)用開漏拓撲的多電壓系統(tǒng)示例。 在多電壓軌系統(tǒng)中，可以利用菊花鏈連接的低電平有效輸出來 執(zhí)行時序控制，如圖10a和10b所示。在某些應(yīng)用中，正確的電源 時序控制可能是首要的考慮因素之一。多軌系統(tǒng)（如基于FPGA 的解決方案）通常需要并指定適當?shù)碾娫磿r序，以防止出現(xiàn) 系統(tǒng)故障和不穩(wěn)定情況。圖11a和11b顯示了應(yīng)用高電平有效輸出 的示例。對于這些情況，高電平有效輸出用于使能或禁用高側(cè) MOSFET，以實現(xiàn)開/關(guān)控制方案。此類配置可用于過壓保護、低 壓時序控制等電路。高側(cè)MOSFET也可使用電壓監(jiān)控器的低電平 有效輸出來驅(qū)動。有關(guān)詳細信息，請參閱文章“利用低電平有 效輸出驅(qū)動高側(cè)MOSFET輸入開關(guān)以實現(xiàn)系統(tǒng)功率循環(huán)?！?br />


圖9. 多電壓系統(tǒng)共用一個微處理器復位輸入。




圖10. 使用低電平有效輸出(a)推挽拓撲和(b)開漏拓撲的多軌時序控制。



圖11. 高電平有效輸出極性的應(yīng)用。(a)采用推挽拓撲的N溝道MOSFET低壓時 序控制。(b)采用開漏拓撲的P溝道MOSFET過壓保護電路。


結(jié)論

電壓監(jiān)控器用于使能、禁用或復位另一個器件。監(jiān)控器的常見 應(yīng)用是復位微控制器。監(jiān)控器保護系統(tǒng)免受錯誤和故障的影 響，從而提升應(yīng)用的整體可靠性。設(shè)計時需要考慮電壓監(jiān)控 器的輸入、輸出和時序規(guī)格。監(jiān)控器具有不同的輸出拓撲和極 性，在不同的應(yīng)用場景中可以發(fā)揮不同的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)預期 功能并提高系統(tǒng)可靠性。

作者簡介

Noel Tenorio是ADI菲律賓公司的產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理，主要負責多市場功率處理高性能電源監(jiān)控產(chǎn)品。他于2016 年8月加入ADI公司。在加入ADI公司之前，他在一家開關(guān)模式電源研發(fā)公司作為設(shè)計工程師工作了六 年。他擁有菲律賓八打雁國立大學電子與通信工程學士學位、電力電子專業(yè)電氣工程研究生學位，以 及瑪普阿大學電子工程理學碩士學位。在負責電源監(jiān)控產(chǎn)品之前，他還在熱電冷卻器控制器產(chǎn)品的應(yīng) 用支持領(lǐng)域擔任過重要職務(wù)。

作者簡介

Anthony Serqui?a是ADI菲律賓公司的產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理。他畢業(yè)于菲律賓碧瑤市圣路易斯大學，獲電子和通信 工程學士學位。他在電力電子領(lǐng)域擁有超過15年的經(jīng)驗，包括電源管理IC開發(fā)以及AC-DC和DC-DC前端電 源轉(zhuǎn)換。他于2018年11月加入ADI公司，目前負責多市場電源產(chǎn)品的新產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用工作。