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(jià)值，討論了其基本定 義、工作原理、技術(shù)規(guī)格、拓?fù)浣Y(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(cuò)。本文提供了一些示例。

引言

嵌入式系統(tǒng)等需要進(jìn)行大量計(jì)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(fù)雜的計(jì)算例程，因?yàn)檫@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(gè)限制是掉電狀況下系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障。當(dāng)電源電壓降至最低工作電壓以下時(shí)，微控制器可能會發(fā) 生故障并導(dǎo)致系統(tǒng)出錯(cuò)。幸運(yùn)的是，電壓監(jiān)控器專門設(shè)計(jì)用于 解決這個(gè)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(gè)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(yù)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(fù)位信號，用于將另一個(gè)器 件置于另一種工作模式，例如復(fù)位模式或活動模式。對于那些 在特定電壓范圍之外運(yùn)行會導(dǎo)致錯(cuò)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(shí)，復(fù)位輸出也用于使能和禁 用另一個(gè)器件，例如在任何需要一定輸入電壓范圍才能正常運(yùn) 行的應(yīng)用中。一個(gè)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(yùn)行，如圖1a所示。為了確保啟動期間正常運(yùn)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(dāng)命令正在執(zhí)行的時(shí)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(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。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(jìn)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(gè)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(fù)位輸出就會將 微處理器置于復(fù)位模式，直至電壓供應(yīng)恢復(fù)到正常水平。3



圖1. ADM809是電壓監(jiān)控器的一個(gè)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(shí)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(fù)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(gè)重要輸入規(guī)格參數(shù)。這將有助 于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員實(shí)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(fù)位閾值、閾值精度、復(fù)位閾值滯回和 上電復(fù)位。

復(fù)位閾值

復(fù)位閾值是電壓電平；當(dāng)被監(jiān)控的電壓低于此值時(shí)，它就會發(fā) 出復(fù)位信號。在電壓監(jiān)控器產(chǎn)品中，復(fù)位閾值通常標(biāo)記為VTH。 當(dāng)被監(jiān)控電壓VCC降至復(fù)位閾值電壓VTH以下時(shí)，它會產(chǎn)生低電平 復(fù)位輸出，如圖2中的時(shí)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(yùn)行的最小電壓。



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

設(shè)置復(fù)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(zhǔn)電壓源進(jìn)行比較，以了解被監(jiān)控電壓是否高于或低于復(fù)位閾值，如圖3a所示。ADM8612是此配置的一個(gè)例 子。一些電壓監(jiān)控器的復(fù)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(shí)現(xiàn)更高的精度，因?yàn)樗灰蕾?于外部因素（例如使用具有容差的標(biāo)準(zhǔn)值電阻）。然而，外部 電阻方案支持靈活地調(diào)整復(fù)位閾值電平。




圖3. 復(fù)位閾值的設(shè)置方法：(a) ADM8612復(fù)位閾值通過外部電阻分壓器設(shè) 置，(b) MAX16140復(fù)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(shí)際閾值與計(jì)算的復(fù)位閾值或目標(biāo)復(fù)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(zhǔn) 電壓。電阻分壓器和基準(zhǔn)電壓都是模擬電路，受溫度等環(huán)境因 素的影響。這導(dǎo)致復(fù)位閾值有一定的容差?；鶞?zhǔn)電壓和電阻越 穩(wěn)健，容差就越嚴(yán)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(shí)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?yàn)檫@對于設(shè)置復(fù)位閾值至關(guān)重要。 如果在設(shè)置復(fù)位閾值時(shí)不考慮精度，系統(tǒng)可能會陷入不理想的 故障區(qū)域。

復(fù)位閾值滯回

復(fù)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(fù)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(fù)位閾值滯回通常表示為VHYST或VTH+HYS。滯回有多項(xiàng)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(fù)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(dāng)被監(jiān)控 電壓超過閾值時(shí)，電壓監(jiān)控器會反復(fù)發(fā)出或取消復(fù)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?yàn)槭軆?nèi)部電阻的影響，電壓會隨著負(fù)載電流而下降。圖4 中的紫色陰影區(qū)域顯示了一個(gè)例子。同時(shí)，由于存在滯回，復(fù) 位輸出將使系統(tǒng)保持復(fù)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(lán)色陰影區(qū)域所示。



圖4. 有滯回和無滯回的復(fù)位輸出行為比較


上電復(fù)位

在啟動期間，當(dāng)電源電壓開始上升時(shí)，電壓監(jiān)控器的內(nèi)部電路 沒有足夠的偏置。因此，復(fù)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(dá)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(fù)位信號。讓監(jiān)控器處于規(guī)定狀態(tài) 并提供有效復(fù)位輸出的最小電源電壓稱為上電復(fù)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(fù)位輸出上拉 至VCC，在未定義狀態(tài)下，復(fù)位輸出將反映電源電壓VCC。這會在 復(fù)位輸出中產(chǎn)生一個(gè)毛刺，稱為上電毛刺。6 當(dāng)電源電壓達(dá)到VPOR 時(shí)，監(jiān)控器就會發(fā)出有效的復(fù)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(fù)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(jì)電壓監(jiān)控器時(shí)，需要考慮的一個(gè)因素是復(fù)位輸出極性和時(shí) 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(fù)位 輸出就會變?yōu)榈碗娖?。圖2中的時(shí)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(fù)位輸出 標(biāo)記為RESET（讀作RESET杠）。當(dāng)被監(jiān)控電壓上升到閾值電壓以 上時(shí)，RESET輸出將在指定時(shí)間內(nèi)保持有效，然后才會變?yōu)楦唠?平。此時(shí)間延遲稱為復(fù)位超時(shí)周期(tRP)，它可以是固定時(shí)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(dāng)被監(jiān)控電壓低于閾值時(shí)， 復(fù)位輸出變?yōu)楦唠娖?；?dāng)被監(jiān)控電壓在復(fù)位超時(shí)周期tRP后上升 到閾值電壓以上時(shí)，復(fù)位輸出變?yōu)榈碗娖?。圖解參見圖6。



圖6. 高電平有效復(fù)位輸出的VCC和復(fù)位信號的時(shí)序圖。

根據(jù)具體應(yīng)用，需要考慮的另一個(gè)因素是輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主要 使用兩種輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——開漏拓?fù)浜屯仆焱負(fù)洹?br />
推挽輸出拓?fù)?br />
推挽輸出拓?fù)溆梢粚パa(bǔ)MOSFET組成，如圖7所示。當(dāng)?shù)撞縁ET關(guān) 斷且頂部FET導(dǎo)通時(shí)，復(fù)位輸出變?yōu)楦唠娖剑划?dāng)?shù)撞縁ET導(dǎo)通且 頂部FET關(guān)斷時(shí)，復(fù)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?fù)洹?br />
低電平有效推挽復(fù)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(dāng)微控制器只有 一個(gè)復(fù)位輸入時(shí)。



圖8. 單電壓系統(tǒng)。

開漏輸出拓?fù)?br />
對于開漏拓?fù)?，監(jiān)控電路的復(fù)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(fù)位連接一個(gè)外 部上拉電阻到電源電壓。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，復(fù)位信號變?yōu)榈碗?平；當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，復(fù)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(fù)位電平的系統(tǒng)來說非常有利。

開漏輸出的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是“線或”功能。將兩個(gè)或多個(gè)監(jiān)控電 路的開漏輸出連接到同一總線上，可以實(shí)現(xiàn)“負(fù)邏輯或”電 路。9 這意味著，當(dāng)任何一個(gè)監(jiān)控電路的復(fù)位輸出變?yōu)榈碗娖?時(shí)，總線為低電平。僅當(dāng)所有復(fù)位輸出都是高電平時(shí)，總線才 為高電平。如果想要監(jiān)控多個(gè)電源，并在任何一個(gè)電源電壓下 降時(shí)觸發(fā)復(fù)位，這種拓?fù)鋾芊奖恪?br />
應(yīng)用案例

圖9、10和11顯示了電壓監(jiān)控器不同輸出拓?fù)浜蜆O性的一些典型 應(yīng)用案例。圖9顯示了一個(gè)應(yīng)用開漏拓?fù)涞亩嚯妷合到y(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(shí)序控制，如圖10a和10b所示。在某些應(yīng)用中，正確的電源 時(shí)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(dāng)?shù)碾娫磿r(shí)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(shí)現(xiàn)開/關(guān)控制方案。此類配置可用于過壓保護(hù)、低 壓時(shí)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(xì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率循環(huán)?！?br />


圖9. 多電壓系統(tǒng)共用一個(gè)微處理器復(fù)位輸入。




圖10. 使用低電平有效輸出(a)推挽拓?fù)浜?b)開漏拓?fù)涞亩嘬墪r(shí)序控制。



圖11. 高電平有效輸出極性的應(yīng)用。(a)采用推挽拓?fù)涞腘溝道MOSFET低壓時(shí) 序控制。(b)采用開漏拓?fù)涞腜溝道MOSFET過壓保護(hù)電路。


結(jié)論

電壓監(jiān)控器用于使能、禁用或復(fù)位另一個(gè)器件。監(jiān)控器的常見 應(yīng)用是復(fù)位微控制器。監(jiān)控器保護(hù)系統(tǒng)免受錯(cuò)誤和故障的影 響，從而提升應(yīng)用的整體可靠性。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮電壓監(jiān)控 器的輸入、輸出和時(shí)序規(guī)格。監(jiān)控器具有不同的輸出拓?fù)浜蜆O 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(shí)現(xiàn)預(yù)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(fù)責(zé)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(jì)工程師工作了六 年。他擁有菲律賓八打雁國立大學(xué)電子與通信工程學(xué)士學(xué)位、電力電子專業(yè)電氣工程研究生學(xué)位，以 及瑪普阿大學(xué)電子工程理學(xué)碩士學(xué)位。在負(fù)責(zé)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(dān)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(xué)，獲電子和通信 工程學(xué)士學(xué)位。他在電力電子領(lǐng)域擁有超過15年的經(jīng)驗(yàn)，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(fù)責(zé)多市場電源產(chǎn)品的新產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用工作。