多電壓系統(tǒng)中的監(jiān)控器

由于更高的組件密度和處理器速度要求更低 用于核心電源的電壓，多電壓系統(tǒng)開始出現(xiàn)。 第一個這樣的系統(tǒng)是用于邏輯和 核心。FPGA、定制 ASIC 和其他產品的進步增加了 第三，有時是第四，電壓電平。ADI監(jiān)控器IC 一直跟上日益復雜的產品開發(fā)步伐， 為復雜的多電壓系統(tǒng)提供監(jiān)測和控制。

隨著處理器變得越來越復雜，確保正常運行變得越來越復雜，并且對監(jiān)控電路的要求也越來越高。

多電壓監(jiān)控器提供上電復位、正確的排序和連續(xù)電壓監(jiān)控。

當今最先進的處理器的較低電壓要求要求使用新的低壓監(jiān)視器。

現(xiàn)代監(jiān)控器提供看門狗定時器、手動復位輸入和電源故障比較器等附加功能。

由于更高的組件密度和處理器速度要求更低 用于核心電源的電壓，多電壓系統(tǒng)開始出現(xiàn)。 第一個這樣的系統(tǒng)是用于邏輯和 核心。FPGA、定制 ASIC 和其他產品的進步增加了 第三，有時是第四，電壓電平。ADI監(jiān)控器IC 一直跟上日益復雜的產品開發(fā)步伐， 為復雜的多電壓系統(tǒng)提供監(jiān)測和控制。

多電壓監(jiān)控

在多電壓系統(tǒng)中，產生上電復位（POR）信號的最簡單方法是監(jiān)視3.3V或5V邏輯電源。上電時，當邏輯電壓上升到其閾值以上時，監(jiān)控器啟動復位周期，以確保處理器有序開啟。只要處理器的電源電壓在規(guī)格范圍內（在正常操作期間），監(jiān)控器就會繼續(xù)監(jiān)視該電壓的瞬態(tài)和掉電情況。

但是，在較低內核/電源電壓水平下工作的器件的完整性如何呢？這些電平是由線性或開關電源產生的，那么在復位周期過后，您如何假設它們在規(guī)格范圍內呢？在多電壓設計中僅監(jiān)控單個電壓，則可能無法檢測到供電不當?shù)脑O備可能正在加載總線或以不穩(wěn)定的方式響應，從而導致軟件偏離其預期程序。因此，可靠設計的良好基礎必須包括監(jiān)控所有電壓的能力。

可用的監(jiān)控器可以監(jiān)視兩個、三個甚至四個電源電壓，可以使用工廠編程的閾值或工廠和電阻可編程閾值的組合。工廠編程的門限通常以低于監(jiān)控電壓電平50mV至100mV的增量提供，因此根據(jù)其指定的容差選擇監(jiān)控器。例如，如果監(jiān)控器系列指定了 3.3V、3.08V、2.93V 和 2.63V 的門限，則通過記下所需電壓及其相應的后綴來組成器件的部件號。

工廠編程監(jiān)控器是單芯片器件，無需外部元件即可進行閾值設置。由于閾值沒有電阻分壓器，也消除了功耗源。另一方面，電阻可編程器件適合希望避免使用特定應用器件的工程師。一旦您的公司對特定主管進行了資格認證，您就可以通過替換一個或兩個電阻器來輕松更改其閾值。對于單電源系統(tǒng)，您可以在禁用其他輸入后使用相同的多電壓監(jiān)控器。

多電壓系統(tǒng)中的低壓監(jiān)控

邏輯電平從5.0V和3.3V向2.5V和1.8V移動，因此需要能夠監(jiān)控低至0.9V電壓的監(jiān)控器。此類監(jiān)控器應直接在1.8V電壓下工作，因為更高的電壓電平并不總是可用。工作和非活動狀態(tài)之間的較小差異也使得需要在低至 1.0V 或更低的電源電平時保持有效的復位操作。抑制電源電壓中短時間瞬變的能力（良好的瞬態(tài)抗擾度）是低壓系統(tǒng)的另一個關鍵特性。許多數(shù)據(jù)手冊都包含瞬態(tài)持續(xù)時間與電壓過驅的關系圖，使設計人員能夠通過查看電源固有的噪聲特性來避免令人討厭的復位。

設備操作和功能

目前可用的現(xiàn)成監(jiān)控器IC系列在滿足系統(tǒng)需求方面非常靈活。除了多電壓監(jiān)控外，它們還提供使設計更穩(wěn)健且不易受到硬件和軟件瞬態(tài)條件影響的功能。在選擇主管時，以下注意事項至關重要。

重置周期：

復位周期是所有監(jiān)控電壓上升到其復位閾值以上后的延遲間隔，在此期間復位輸出保持低電平。流行的值是最小值 140 毫秒。因此，在所有監(jiān)控電壓升至其閾值以上后，復位引腳保持工作狀態(tài)至少140毫秒。復位命令將軟件矢量化到特定的代碼位置，從該位置可以啟動有序啟動。

復位也會響應低電壓、手動復位或看門狗超時而發(fā)生。重置初始化代碼，從而防止處理器執(zhí)行可能因低電壓或軟件錯誤而損壞的代碼。如果處理器規(guī)格允許，增加或減少重置周期可能更合適。可用器件提供 1 毫秒至 1.2 秒的復位周期。

復位周期還允許電源電壓、晶體和鎖相環(huán) （PLL） 穩(wěn)定。晶體和PLL對復位周期持續(xù)時間的影響最大。不帶PLL的20MHz晶體可以使用短超時，但使用PLL鎖相至32MHz的20kHz晶體需要更長的超時。

復位輸出：

/推挽式復位輸出適用于大多數(shù)應用，但也提供其他輸出類型。對于監(jiān)控器取代與傳統(tǒng) 8051 產品相關的 RC 延遲的應用，監(jiān)控器具有高電平有效推挽輸出或//漏極開路輸出，或兩者兼而有之。

漏極開路輸出通常更靈活。它們允許簡單的線或連接，并輕松形成在不同系統(tǒng)電壓下工作的設備的接口。漏極開路輸出允許復位輸出被多個電源拉低，而不會發(fā)生爭用。這種靈活性的代價是外部上拉電阻。

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小心。例如，考慮用于監(jiān)視3.3V和5.0V電源的雙監(jiān)控器。對于兩個內部電壓監(jiān)視器，它有一個推挽復位輸出，可以在地和3.3V電源軌之間擺動，或者（在另一個版本中）在地和5V電源軌之間擺動。在這種情況下，您可以選擇電壓擺幅與處理器復位輸入兼容的版本?；蛘?，雙監(jiān)控器可能有兩個輸出 - 一個與3.3V監(jiān)視器相關聯(lián)，另一個與5V監(jiān)視器相關聯(lián)。您可以選擇每個輸出擺幅到相應監(jiān)控軌的版本，或者兩個輸出擺幅到同一軌。

負向瞬變免疫：

嘈雜的數(shù)字環(huán)境會對電源電壓施加電壓瞬變，無論電源電壓是由線性穩(wěn)壓器還是開關轉換器產生的。關鍵目標是避免正常工作期間的誤復位，同時保持對電源電壓的連續(xù)監(jiān)控。圖表（典型器件的數(shù)據(jù)手冊中提供）提供了有關瞬態(tài)過驅幅度和持續(xù)時間的組合將導致器件復位的指導（圖 1）。

圖1.MAX6381的典型瞬態(tài)持續(xù)時間與過驅的關系（圖表）

如您所見，50μsec、50mV 瞬態(tài)電壓不會重置器件;重置僅針對持續(xù)時間較長或幅度更大的瞬變發(fā)生。因此，該圖提供了一種避免可怕的麻煩重置的方法。請注意，具有較高瞬態(tài)抑制水平的監(jiān)控器也可能允許使用需要較少濾波的低成本電源（假設處理器可以容忍由此產生的電源電壓變化）。

看門狗定時器：

看門狗定時器檢查軟件是否正確執(zhí)行。如果軟件因錯誤或硬件故障而陷入循環(huán)，看門狗定時器將重置處理器并允許其重新初始化自身。為避免復位，軟件必須在每個定時器周期結束前在看門狗輸入端生成邊沿轉換。邊沿轉換（而不是低電平有效或高電平輸入）消除了由于處理器輸出鎖定而禁用看門狗的可能性。您必須在軟件中將定時器復位（邊沿轉換）放置在確保在超時期限過前重置看門狗的位置。

實現(xiàn)看門狗定時器的藝術是放置定時器復位，以便它們排除卡住循環(huán)的可能性。一個方便的提示是在序列中的下一個例程中強制從低到高的轉換，在序列中的下一個例程中強制從高到低的轉換。然后，如果軟件卡在其中一個例程中，將進行重置。在單個子程序中放置低-高-低脈沖不會產生復位，因此軟件可以保持鎖定狀態(tài)。

為了適應具有擴展上電和穩(wěn)定要求的處理器，一些監(jiān)控器提供更長的初始看門狗周期。較長的時間段允許處理器有時間初始化和配置自身，然后再實施后續(xù)更短、更嚴格的看門狗間隔。

手動復位：

手動復位使用戶和功能測試設備可以輕松訪問重置處理器。一些監(jiān)控器產品提供帶內部上拉電阻的低電平有效輸入，無需外部電阻，還允許使用簡單的開關接口。與手動復位輸入相關的另一個規(guī)格是毛刺抑制。為避免意外或令人討厭的復位，輸入應抑制短時間毛刺。這種毛刺抑制電路不僅可以防止意外復位，而且無需外部開關去抖動電路。

手動重置通常會觸發(fā)重置周期。但是，為了減少測試時間，重置周期應該很短。MAX6390 IC的周期約為標準復位周期的八分之一（對于MAX6390D4，手動復位脈沖最小值為140msec，復位周期為1.12秒）。

除了電平敏感的手動復位輸入外，某些應用可能需要邊沿敏感型輸入，以確保處理器在固定的時間段內復位，而不是取決于手動復位輸入保持低電平的時間。該功能對于減少產品組裝和測試時間非常方便。

過壓和負壓監(jiān)控：

對于執(zhí)行自檢的醫(yī)療或安全相關設備，可以使用監(jiān)控器來檢測過壓和欠壓情況。這些器件具有電阻可編程輸入，當監(jiān)控電壓超過閾值時強制復位。與欠壓情況一樣，過大的電壓會導致固件和硬件出現(xiàn)意外結果。強制處理器重置可緩解潛在的不安全情況。

模擬輸出故障可以通過多種方式發(fā)生，但簡單的負電壓監(jiān)視器可以確認預期的電源電壓是否存在且符合規(guī)格。例如，具有-5V或-15V電源軌的模擬模塊通常產生模擬輸出，而沒有電源電壓反饋來驗證其有效性。幸運的是，過壓監(jiān)控器也可以監(jiān)測負電壓。對于過壓情況，電源電壓由該電壓和 Vcc 之間的外部電阻分壓器檢測（圖 2）。

圖2.負電壓監(jiān)測采用MAX6347

電源排序：

為了防止閂鎖并最大限度地提高上電期間的可靠性，多電壓系統(tǒng)通常要求對VI/O至Vcore或Vcore至VI/O電壓進行排序或跟蹤。跟蹤通常意味著I/O和內核電壓必須一起上升，并且（通常）內核電壓不得超過I/O電壓0.30V。排序通常意味著I/O電壓必須在內核電壓之前上升。系統(tǒng)還可以指定 I/O 和內核電壓上升之間的延遲周期。

一種用于2電壓系統(tǒng)（I/O = 3.3V和內核= 2.5V）的時序控制器采用單電壓監(jiān)控器來監(jiān)視3.3V電源。當該電壓高于其閾值時，監(jiān)控器會延遲并增強外部 p 溝道 MOSFET（圖 3）。這種方法對于低電流應用具有成本效益，但對于較高電流，具有低Vgs閾值的低Rdson p-FET的成本可能很高。

圖3.采用MAX6347的電源排序器

對于更高電流的應用，帶電荷泵的專用電源排序器可能更有效。如前例所示，該電路監(jiān)視電源電壓并激活外部FET以啟動第二個電源。然而，IC器件允許使用成本低于p溝道器件的n溝道FET。內部電荷泵提供 5.0V 的 Vgs，這充分增強了為第二個電源供電的 n-FET。n-FET不僅成本更低;它的Rdson明顯更低。

例如，MAX6819和MAX6820為SOT-23電源排序器，無需外部電荷泵電容。MAX6819具有固定的200msec延遲，MAX6820具有可變延遲。外部電容器根據(jù)關系設置延遲。

t延遲（秒） = 2.484x10-6（賽特）。

這些IC還可以在具有兩個以上電源電壓的應用中實現(xiàn)簡單的排序。要對所有電源進行排序，只需為每個額外的電源電壓添加一個時序控制器（圖 4）。

圖4.對額外的供應進行排序。

電源故障比較器：

如果您的系統(tǒng)必須提供斷電或低電池電壓的預警，則可以選擇包含邏輯電平復位電路和電源故障比較器的監(jiān)控器。例如，對于MAX6342系列的IC，復位門限經過工廠調整。一個外部電阻分壓器設置功率損耗或低電池電量檢測的閾值。由于閾值為1.25V，因此可以監(jiān)控高于和低于V的電壓抄送，最小閾值為 1.25V。如需額外的電源電壓，請選擇具有漏極開路輸出的器件，該器件允許使用第二個監(jiān)控器來監(jiān)視其他內核電壓。

電壓檢測：

監(jiān)控系統(tǒng)中所有電源電壓的重要性怎么強調都不為過。它可以通過反饋執(zhí)行，也可以由驅動處理器復位引腳的監(jiān)控器執(zhí)行。反饋的形式可以是測量系統(tǒng)電壓的A/D轉換器，也可以是軟件常規(guī)監(jiān)控設備功能。這兩種方法都可以確保工程師在電路板上獲得適當?shù)碾娫础?br/>
另一種簡單的方法與電壓檢測器達到相同的結果。電壓檢測可能比監(jiān)控提供更多信息，因為它可以指示哪個電源電壓有問題。監(jiān)控通常將所有電壓“或”放在一起并產生單個復位，而多電壓檢測器通常提供漏極開路輸出，可以單獨檢查以確定問題的根源。四路電壓監(jiān)視器具有獨立的漏極開路輸出。此類器件可包括電阻可編程門限以及工廠編程門限，以適應 1.8V、2.5V、3.3V、5.0V 或 -5.0V 的電源電壓。內部精密基準電壓源和內部分壓器使這些IC非常緊湊。

總結

多種電源電壓、不斷縮小的芯片幾何形狀以及日益重要的產品可靠性規(guī)格相結合，提高了對電源電壓進行全面監(jiān)控或監(jiān)控的需求。本文介紹了可用于此目的的產品，以及產品功能對于設計可靠系統(tǒng)至關重要。