本應(yīng)用筆記重點(diǎn)介紹在高可靠性系統(tǒng)中正確監(jiān)測(cè)和排序電壓的必要性。它介紹了選擇監(jiān)控器的關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn),并解釋了上電復(fù)位(POR)電路、多電壓監(jiān)控和裕量調(diào)節(jié)的必要性。討論了系統(tǒng)管理電路。
介紹
對(duì)于大多數(shù)電子系統(tǒng),通過(guò)上電復(fù)位(POR)監(jiān)控系統(tǒng)電壓可確保上電時(shí)正確初始化。此外,使用 POR 檢測(cè)掉電條件可最大限度地減少可能損壞內(nèi)存或?qū)е孪到y(tǒng)執(zhí)行不正常的代碼執(zhí)行問(wèn)題。為了提高高端系統(tǒng)的可靠性,通常需要按正確的順序?qū)ο到y(tǒng)的電源進(jìn)行排序,以防止系統(tǒng)的微控制器、微處理器、DSP或ASIC閂鎖,這個(gè)問(wèn)題可能導(dǎo)致?lián)p壞或長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題。在大多數(shù)情況下,一個(gè)或多個(gè)微處理器監(jiān)控器IC可以很容易地執(zhí)行這些排序和監(jiān)控功能。
通過(guò)檢測(cè)器和上電復(fù)位監(jiān)控電壓
監(jiān)視系統(tǒng)電源電壓的一種簡(jiǎn)單方法是使用電壓檢測(cè)器,即結(jié)合了比較器和內(nèi)部基準(zhǔn)的IC。當(dāng)電源電壓低于電壓檢測(cè)器的閾值時(shí),其輸出將置位,通知系統(tǒng)的微控制器即將發(fā)生電源故障。此警告使微控制器有機(jī)會(huì)備份其內(nèi)存、打開(kāi)或關(guān)閉電源以及以受控方式關(guān)閉系統(tǒng)。
當(dāng)電壓檢測(cè)器在上電或斷電期間改變狀態(tài)時(shí),其輸出在短暫的傳播延遲后置位。這對(duì)于電源故障警告很好。然而,在大多數(shù)情況下,微控制器的復(fù)位輸入需要更長(zhǎng)的延遲,稱(chēng)為復(fù)位超時(shí);在上電期間,系統(tǒng)時(shí)鐘和電源必須穩(wěn)定,處理器的寄存器必須初始化,然后才能將微控制器從復(fù)位狀態(tài)釋放。上電復(fù)位 (POR) 是微處理器監(jiān)控器 IC 的一種形式,可提供此復(fù)位超時(shí),以便系統(tǒng)可以在允許微控制器工作之前完全初始化。此外,如果電源電壓在上電后暫時(shí)降至POR門(mén)限以下,則當(dāng)電源電壓恢復(fù)到POR門(mén)限以上時(shí),也會(huì)產(chǎn)生同樣的延遲。上電復(fù)位提供幾種不同的固定超時(shí)周期和閾值電壓。一些 POR 提供電容可調(diào)超時(shí)周期。
監(jiān)控多電壓系統(tǒng)
大多數(shù)系統(tǒng)監(jiān)視3.3V I/O邏輯電源。對(duì)于需要更高可靠性的系統(tǒng),可能需要監(jiān)視其他電源,例如為內(nèi)核和內(nèi)存供電的電源。許多多電壓微處理器監(jiān)控器可以執(zhí)行此任務(wù),但給定系統(tǒng)的特定要求將迅速減少設(shè)計(jì)人員的選擇數(shù)量。
大多數(shù)監(jiān)控器監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)電壓,如 5V、3.3V、2.5V 和 1.8V。然而,由于各種組件(例如存儲(chǔ)器、PLD、ASIC)具有獨(dú)特的電源要求,因此通常需要監(jiān)控額外的電壓。因此,您必須決定是使用不需要外部電阻的固定閾值器件,還是使用更靈活的可調(diào)閾值器件(根據(jù)需要適應(yīng)變化但需要外部電阻器)。具有固定閾值和可調(diào)閾值組合的器件可以提供最佳解決方案。選擇器件時(shí),務(wù)必選擇電壓低到足以監(jiān)控系統(tǒng)最低電壓的基準(zhǔn)電壓源。例如,當(dāng)采用0.8V、0.9V和1V電源工作時(shí),采用標(biāo)準(zhǔn)1.2V基準(zhǔn)的器件將無(wú)法工作。
近年來(lái),高可靠性系統(tǒng)中存在的電源電壓數(shù)量有所增加;現(xiàn)在有十個(gè)或更多的電壓是常見(jiàn)的。當(dāng)監(jiān)控大量電壓時(shí),您最終可能會(huì)使用多個(gè)監(jiān)控器設(shè)備。在這些情況下,具有漏極開(kāi)路輸出的多電壓監(jiān)控器通常具有優(yōu)勢(shì),因?yàn)樗鼈兊妮敵隹梢越M合在一起以提供單個(gè)輸出。圖1所示為連接兩個(gè)MAX6710,提供<>個(gè)復(fù)位信號(hào),同時(shí)監(jiān)測(cè)<>個(gè)電壓。
圖1.兩個(gè)具有漏極開(kāi)路輸出的多電壓監(jiān)控器監(jiān)視<>個(gè)電壓,并提供一個(gè)復(fù)位輸出。
過(guò)壓保護(hù)電路
必須監(jiān)視某些電源的欠壓和過(guò)壓情況。在許多系統(tǒng)中,過(guò)壓監(jiān)控已成為必要的,以防止損壞昂貴的處理器和ASIC。通常使用兩種類(lèi)型的過(guò)壓保護(hù)電路。監(jiān)控過(guò)壓和欠壓條件的窗口檢測(cè)器可以用兩個(gè)電壓檢測(cè)器和一個(gè)基準(zhǔn)電壓源構(gòu)成。或者,也可以使用專(zhuān)用的窗口檢測(cè)器IC,如MAX6754。第二種類(lèi)型的電壓保護(hù)電路包括一個(gè)外部p溝道MOSFET,如果電源電壓超過(guò)指定電平,該MOSFET將關(guān)斷電源。參見(jiàn)圖2。
圖2.當(dāng)該監(jiān)控電路檢測(cè)到過(guò)壓情況時(shí),p溝道MOSFET斷開(kāi)電源連接。
排序電源
您可以使用 DC-DC 電源穩(wěn)壓器的使能或關(guān)斷引腳方便地對(duì)電源進(jìn)行排序。在這種“菊花鏈”方案下,當(dāng)電源首次啟動(dòng)時(shí),它會(huì)斷言其電源正常(POK)信號(hào)(如果有),以通知其他電路其電壓在容差范圍內(nèi)。POK 輸出連接到第二個(gè)穩(wěn)壓器的關(guān)斷或使能引腳,并在該穩(wěn)壓器激活時(shí)接通該穩(wěn)壓器。圖 3 顯示了此方法。對(duì)于需要更長(zhǎng)延遲的情況,一些監(jiān)管機(jī)構(gòu)包括 POR。后一種布置允許在打開(kāi)序列中的下一個(gè)電源之前有更長(zhǎng)的時(shí)間延遲。
圖3.具有 POK 輸出的電源提供了一種對(duì)其他電源進(jìn)行排序的便捷方法。
當(dāng) POK 信號(hào)不可用時(shí),您可以使用電壓檢測(cè)器或 POR 監(jiān)控電源的輸出。 只需將檢波器或 POR 輸出連接到第二個(gè)電源的關(guān)斷或使能輸入即可。當(dāng)監(jiān)控電壓超過(guò)特定閾值時(shí),第二個(gè)電源接通。當(dāng)與高噪聲電源一起使用時(shí),電壓檢測(cè)器可能會(huì)不必要地多次打開(kāi)和關(guān)閉穩(wěn)壓器,特別是當(dāng)監(jiān)控電壓電平接近其跳變閾值時(shí)。在這些情況下,POR電路可以將這種影響降至最低,這是POR超時(shí)周期的一個(gè)好處。當(dāng)監(jiān)控電壓低于監(jiān)控器門(mén)限時(shí),POR的輸出置位并保持置位狀態(tài),至少在監(jiān)控電壓返回閾值以上的最小復(fù)位超時(shí)周期內(nèi)保持置位狀態(tài)。在超時(shí)期間,電壓必須持續(xù)高于復(fù)位閾值,監(jiān)控器才能解除置位,從而防止電源反復(fù)循環(huán)。使用 POR 生成關(guān)斷或使能引腳信號(hào)還允許您控制導(dǎo)通時(shí)間;POR 具有從幾微秒到超過(guò)一秒的重置超時(shí)。此外,電容可調(diào)POR允許您更改給定設(shè)備的超時(shí)周期。
POR電路還允許您控制其他上電排序情況。例如,假設(shè)在具有三個(gè)電源的系統(tǒng)中,您希望前兩個(gè)電源在激活第三個(gè)電源之前有效。如果沒(méi)有POK輸出的單個(gè)穩(wěn)壓器產(chǎn)生前兩個(gè)電源,則可以使用雙電壓POR來(lái)監(jiān)視其兩個(gè)電壓。然后,該 POR 的輸出通過(guò)饋送其使能或關(guān)斷引腳來(lái)控制第三個(gè)電源的時(shí)序。要對(duì)大量電源進(jìn)行排序,可以使用多電壓器件。例如,四路電壓檢測(cè)器適用于對(duì)四個(gè)電壓進(jìn)行排序。此外,具有多個(gè)復(fù)位輸出和不同延遲的器件可用于對(duì)多個(gè)電源進(jìn)行排序。
打開(kāi)刀路元素
當(dāng)使用“銀盒”或“磚”電源時(shí),如果沒(méi)有額外的電路,并不總是能夠以受控順序打開(kāi)和關(guān)閉每個(gè)電壓。這些電源提供標(biāo)準(zhǔn)電壓,如 5V、3.3V、2.5V 和 1.8V,這些電壓通常分布在整個(gè)系統(tǒng)中。例如,“磚”可以為兩個(gè)不同的IC提供3.3V邏輯電源和1.8V內(nèi)核電源。在某些應(yīng)用中,這些IC需要不同的電源排序;一個(gè)器件需要內(nèi)核電源首先上升,而第二個(gè)器件需要I/O電源首先上升。
在這種情況下,對(duì)電源進(jìn)行排序的一種方法是通過(guò)外部調(diào)整元件切換電源。圖4顯示了連接到MOSFET柵極的電壓檢測(cè)器,該檢波器打開(kāi)和關(guān)閉VFCT.當(dāng)有更高的電壓可用來(lái)提供足夠大的柵源電壓以完全增強(qiáng) MOSFET 時(shí),n 溝道 MOSFET 適用于此應(yīng)用。但是,如果V,則在此電路上電期間可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題FCT在 V 之前存在FCT達(dá)到足夠高的水平以打開(kāi)電壓檢測(cè)器的輸出。在這種情況下,VFCT將增強(qiáng)MOSFET(即,它將開(kāi)啟),直到VFCT上升到足以使電壓檢測(cè)器的輸出置位低電平。
圖4.如果有更高的電壓可用,電壓檢測(cè)器可以通過(guò)打開(kāi)n溝道MOSFET來(lái)對(duì)低電壓進(jìn)行排序。
這種相同類(lèi)型的電路可以通過(guò)電壓檢測(cè)器和p溝道MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn),而無(wú)需第二個(gè)更高的電壓。然而,該電路不適合低壓電源,p溝道MOSFET的較高導(dǎo)通電阻使其不適用于高功率應(yīng)用。
一種更簡(jiǎn)單、更可靠的多電源供電排序方法,使用MAX6819等器件同時(shí)執(zhí)行監(jiān)測(cè)和排序功能(見(jiàn)圖5)。這種類(lèi)型的IC通過(guò)復(fù)位電路監(jiān)控第一個(gè)電壓,以確定它是否在規(guī)格范圍內(nèi);當(dāng)電壓在規(guī)格范圍內(nèi)時(shí),IC使用其MOSFET驅(qū)動(dòng)器來(lái)接通MOSFET。內(nèi)部電荷泵向次級(jí)電源添加固定電壓,所得電壓施加到 MOSFET 的柵極,這有助于確保柵源電壓足夠高以充分增強(qiáng) MOSFET。
圖5.主電源上電后,MAX6819接通副電源。MAX6819的板載電荷泵增強(qiáng)了MOSFET,使其導(dǎo)通電阻最小化。
保證金功能
在許多類(lèi)型的電信、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和服務(wù)器設(shè)備的制造階段,通常使用稱(chēng)為“裕量”的過(guò)程來(lái)評(píng)估這些系統(tǒng)的穩(wěn)健性和未來(lái)可靠性。裕量調(diào)節(jié)涉及對(duì)系統(tǒng)(或處理器)的評(píng)估,這是通過(guò)使電源偏離其標(biāo)稱(chēng)電平來(lái)執(zhí)行的。為了改變這些電平,DC-DC轉(zhuǎn)換器電源通常通過(guò)使用數(shù)字電位器或電流DAC改變其反饋環(huán)路來(lái)調(diào)整。圖6描述了為電源裕量調(diào)節(jié)的多種方法中的兩種。其他常用方法包括通過(guò)數(shù)字接口對(duì)電源輸出進(jìn)行編程或調(diào)整電源。不同程度的裕量控制包括“通過(guò)/失敗”方法,您可以在其中將所有電源增加或減少到某個(gè)級(jí)別(例如,±5% 或 ±10%)。裕量控制可以采用更精細(xì)的調(diào)整方法,以較小的步長(zhǎng)(例如,10mV 或 100mV)遞增或遞減電源。后一種方法允許您更詳細(xì)地評(píng)估系統(tǒng)性能。
圖6.執(zhí)行電壓裕度調(diào)節(jié)的兩種簡(jiǎn)單技術(shù)包括將數(shù)字電位器或電流DAC添加到DC-DC轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)路。
ADC可用于更準(zhǔn)確地測(cè)量這些值。使用微控制器中包含的ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能可能很誘人。但是,當(dāng)為微控制器供電的電源低于規(guī)格時(shí),其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源可能會(huì)超出容差,從而影響ADC的精度。此外,在裕量調(diào)節(jié)期間,必須斷開(kāi)或禁用復(fù)位輸出,以便系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行。否則,系統(tǒng)將復(fù)位,從而無(wú)法發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)生故障的電源電壓電平。在使用大型系統(tǒng)時(shí),執(zhí)行這些裕度函數(shù)可能非常乏味。
在單個(gè)設(shè)備中結(jié)合監(jiān)控、排序和裕量調(diào)節(jié)
許多處理器只需要兩個(gè)電壓,一個(gè)為內(nèi)核供電,另一個(gè)為 I/O 供電。DSP、ASIC、網(wǎng)絡(luò)處理器和視頻處理器等其他器件可能需要多達(dá)五個(gè)電源電壓。在單個(gè)系統(tǒng)中,監(jiān)控電路監(jiān)控和排序十個(gè)以上的電壓的情況并不少見(jiàn)。隨著這些系統(tǒng)中電源電壓數(shù)量的不斷增加,監(jiān)控、排序和裕量所需的IC數(shù)量也會(huì)增加。成本上升,占用更多的電路板空間。當(dāng)需要更改電壓閾值或復(fù)位超時(shí)周期等參數(shù)時(shí),可能需要新器件。此外,更改排序順序成為一項(xiàng)相當(dāng)艱巨的任務(wù)。
降低電路復(fù)雜度的一種方法是使用結(jié)合了監(jiān)控和排序功能的可編程系統(tǒng)管理IC。這些器件具有可編程性,使更改易于處理。這些電路消除了在原型設(shè)計(jì)和制造階段將零件換入和換出設(shè)計(jì)的需要。對(duì)于其中許多器件,串行接口允許您對(duì)配置這些器件并設(shè)置閾值電平和延遲的內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程;板載EEPROM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,用于監(jiān)視和排序多個(gè)系統(tǒng)電源。當(dāng)+12V總線(xiàn)電壓上電并超過(guò)其門(mén)限(存儲(chǔ)在MAX6870內(nèi))時(shí),MAX6870的一條輸出立即或在延遲周期后(也存儲(chǔ)在MAX5存儲(chǔ)器中)使能+6870V穩(wěn)壓器。+5V穩(wěn)壓器上電且輸出超過(guò)相應(yīng)門(mén)限后,+3.3V電源退出關(guān)斷狀態(tài)。其余電源在相同方案下相繼上電,但當(dāng)MAX5增強(qiáng)n溝道調(diào)整元件時(shí),+6870V開(kāi)關(guān)電源變?yōu)榭捎谩?/p>
圖7.可編程系統(tǒng)管理器件為電壓監(jiān)控和排序提供了一種靈活的方法。
您通常可以對(duì)此類(lèi)系統(tǒng)管理設(shè)備進(jìn)行編程,以提供額外的監(jiān)控功能,例如復(fù)位電路和看門(mén)狗定時(shí)器。這些器件還可以通過(guò)其模擬和數(shù)字輸入監(jiān)控電源電壓以外的參數(shù)。在圖7電路中,AUXIN_(模擬輸入)和GPI_(數(shù)字輸入)監(jiān)視溫度讀數(shù)和電源電流檢測(cè)讀數(shù)。MAX6870包括一個(gè)10位ADC,用于對(duì)這些讀數(shù)進(jìn)行數(shù)字化處理;微控制器監(jiān)控這些數(shù)字化讀數(shù)的狀態(tài)。溫度傳感器和電流檢測(cè)監(jiān)視器均包括一個(gè)比較器輸出,用于指示故障發(fā)生(即溫度或電流超過(guò)特定限值)。每路比較器輸出連接至MAX6870通用輸入(GPI)。MAX6870可以配置為在發(fā)生這些故障時(shí)關(guān)斷一個(gè)或多個(gè)電源,從而降低+12V電源的負(fù)載。
內(nèi)部 ADC 可輕松精確地調(diào)節(jié)電源。在裕量調(diào)節(jié)過(guò)程中,可以從ADC寄存器讀取每個(gè)電源輸出端的電壓。此外,裕量輸入可以禁用輸出或在電源裕量化時(shí)將其編程為已知狀態(tài),從而防止系統(tǒng)在此過(guò)程中復(fù)位。
結(jié)論
在高端系統(tǒng)中,有許多方法可以監(jiān)控、排序和裕量電壓。新一代系統(tǒng)管理設(shè)備解決了當(dāng)今系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所面臨的復(fù)雜性。全新、完全集成的器件提供了傳統(tǒng)解決方案的替代方案,并在單個(gè)器件中提供了更大的靈活性和功能,從而節(jié)省了電路板空間、成本和設(shè)計(jì)時(shí)間。
審核編輯:郭婷
-
電源
+關(guān)注
關(guān)注
184文章
17705瀏覽量
249976 -
寄存器
+關(guān)注
關(guān)注
31文章
5336瀏覽量
120238 -
adc
+關(guān)注
關(guān)注
98文章
6496瀏覽量
544477
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論