使用合適的窗口電壓監(jiān)控器優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)介

在汽車、工業(yè)或家用電器等領(lǐng)域，電壓突然波動(dòng)可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的問(wèn)題。造成該系統(tǒng)電源問(wèn)題的原因可能包括電壓尖峰、電流不暢或不穩(wěn)定、雷擊、閃爍等。

無(wú)論窗口電壓監(jiān)控器低于還是高于電壓范圍，它都可以檢測(cè)一定范圍的電壓，并提供可用于執(zhí)行保護(hù)機(jī)制的輸出信號(hào)，因此使用窗口電壓監(jiān)控器有助于防止系統(tǒng)出現(xiàn)故障。窗口電壓監(jiān)控器具有不同的架構(gòu)和特性，要想實(shí)現(xiàn)出色的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要更好地了解每種類型。選項(xiàng)包括電阻可編程欠壓(UV)和過(guò)壓(OV)斷路、固定或工廠調(diào)整的UV/OV閾值、用于監(jiān)控多個(gè)電壓的多通道，或單一UV/OV或獨(dú)立UV和OV輸出選擇。

了解窗口電壓監(jiān)控器

窗口電壓監(jiān)控電路與傳統(tǒng)窗口檢測(cè)器電路類似，它使用兩個(gè)比較器，并且每個(gè)比較器檢測(cè)相對(duì)于其基準(zhǔn)電壓（即上限和下限）的公用輸入電壓。輸出以兩個(gè)基準(zhǔn)閾值電壓間窗口的形式顯示輸入的檢測(cè)結(jié)果。簡(jiǎn)單地說(shuō)，該電路不僅檢測(cè)低于閾值的電壓，也檢測(cè)高于閾值的電壓。傳統(tǒng)窗口檢測(cè)器電路及其波形如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)窗口檢測(cè)器電路和波形

在該電路中，當(dāng)V_IN大于下限時(shí)，U2的輸出將從低狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦郀顟B(tài)。與U1相反，當(dāng)V_IN大于上限時(shí)，輸出將從高狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜖顟B(tài)。因此，如果V_IN大于下限且低于上限，則兩個(gè)比較器的輸出都將切換至高狀態(tài)，并打開與門輸出。

對(duì)于窗口電壓監(jiān)控器，各比較器共用一個(gè)基準(zhǔn)電壓。該監(jiān)控器還提供定義的電源容差裕量、閾值滯回和閾值精度規(guī)格。容差的值通常以百分比表示，用于確定相對(duì)于標(biāo)稱電壓的欠壓和過(guò)壓閾值窗口。即使存在電源噪聲或錯(cuò)誤信號(hào)，滯回也能確?？煽康膹?fù)位操作，并防止錯(cuò)誤復(fù)位輸出。精度留出了欠壓和過(guò)壓閾值的容許范圍¹。

提供UV輸出和OV輸出的電阻可編程電壓閾值

此類型架構(gòu)在外部采用三電阻配置，其中，在為監(jiān)控系統(tǒng)電源上的UV和OV條件設(shè)置閾值時(shí)，電阻分壓器連接到比較器的負(fù)輸入和正輸入。該架構(gòu)沒(méi)有為UV/OV閾值窗口定義容差，但用戶可手動(dòng)進(jìn)行設(shè)置。此類型監(jiān)控器提供單通道和多通道版本，因此這些監(jiān)控器的電源電壓V_CC與輸入或監(jiān)控引腳分開。

圖2 電阻可編程UV/OV閾值內(nèi)部框圖和配置

圖2所示為正電壓監(jiān)控框圖，其中包括每個(gè)通道的專用UV和OV輸出，以及其輸入與三個(gè)外部電阻的連接情況。在監(jiān)控正電源電壓(V_M)時(shí)，當(dāng)高端電壓(VH)低于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓時(shí)，將觸發(fā)UV條件，而當(dāng)?shù)投穗妷?VL)超過(guò)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓時(shí)，將觸發(fā)OV條件。使用電阻可編程窗口電壓監(jiān)控器的優(yōu)點(diǎn)在于，它允許用戶設(shè)置所需的UV和OV跳變點(diǎn)，其中，選擇R1以設(shè)置OV監(jiān)控器的所需跳變點(diǎn)，選擇R2以設(shè)置UV監(jiān)控器的所需跳變點(diǎn)，而R3用于完成設(shè)計(jì)。要確定每個(gè)電阻的值，請(qǐng)參見公式。

假設(shè)用戶已有電阻分壓器中被監(jiān)控電壓(V_M)和標(biāo)稱電流(I_M)的值，

對(duì)于R1，

對(duì)于R2，

使用外部電阻的一個(gè)考慮因素是，外部電阻會(huì)增加系統(tǒng)的功耗，并且可能會(huì)拓寬整體精度。使用大阻值的電阻可最大限度降低功耗，而小阻值的電阻可用于維持整體精度。

MAX16009采用此類型架構(gòu)，這是一款低電壓、高精度的四窗口電壓監(jiān)控器。該產(chǎn)品具有設(shè)計(jì)靈活性，例如可在多個(gè)通道中設(shè)置低至0.4 V的UV和OV閾值。圖3是使用MAX16009的示例。該器件用于內(nèi)窺鏡的示波器部分，內(nèi)窺鏡是一個(gè)配備燈具和攝像頭的長(zhǎng)管，可插入人體以觀察腔體或器官內(nèi)部。該系統(tǒng)在低電壓電平下采用多個(gè)電壓軌運(yùn)行。該電壓監(jiān)控器通過(guò)監(jiān)控內(nèi)核電源電壓和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的輸入/輸出電源電壓來(lái)確保不會(huì)出現(xiàn)電壓危害，從而提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)健性。

圖3 內(nèi)窺鏡功能框圖

ADM12914也具有電阻可編程UV/OV閾值，這是一款精度為±0.8%的四通道UV/OV正/負(fù)電壓監(jiān)控器。該監(jiān)控器具有三態(tài)引腳，用于決定第三路和第四路輸入的極性，從而允許器件監(jiān)控正電源或負(fù)電源。其高精度監(jiān)控對(duì)于脈沖繞組測(cè)試儀等儀器應(yīng)用非常寶貴，脈沖繞組測(cè)試儀可以發(fā)現(xiàn)變壓器、電機(jī)等線圈產(chǎn)品中的潛在缺陷。它可以檢測(cè)層間絕緣性低的單元，這在生產(chǎn)的早期階段通常很難發(fā)現(xiàn)。該測(cè)試儀用于在繞組端子施加脈沖電壓，并將測(cè)試波形與已知良好繞組產(chǎn)生的參考波形進(jìn)行比較，以此檢測(cè)缺陷²。此應(yīng)用使用高速采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)產(chǎn)品對(duì)波形進(jìn)行采樣和顯示，并將其與標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行比較，以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。ADM12914在閾值設(shè)置方面具有靈活性，并提供高閾值精度，這些優(yōu)勢(shì)有利于精確監(jiān)控脈沖繞組測(cè)試儀中不同電路模塊（如ADC驅(qū)動(dòng)器、高速放大器和微處理器）的電壓偏置。因此，該器件對(duì)于生產(chǎn)高質(zhì)量線圈產(chǎn)品至關(guān)重要，這些線圈產(chǎn)品最終將用于工業(yè)、汽車和消費(fèi)類產(chǎn)品。

表1列出了ADI窗口電壓監(jiān)控器的示例，這些監(jiān)控器具有基于通道數(shù)的電阻可編程UV和OV閾值。

表1 具有電阻可編程UV和OV閾值的窗口電壓監(jiān)控器

具有可選窗口的工廠調(diào)整電壓閾值

此類型窗口電壓監(jiān)控器架構(gòu)提供工廠調(diào)整的電壓閾值，并為UV/OV閾值提供可選窗口。其中一些類型提供單一或獨(dú)立欠壓和過(guò)壓輸出選項(xiàng)。

MAX6762采用此類型架構(gòu)。該器件提供固定的工廠調(diào)整電壓閾值，可監(jiān)控0.9 V至5 V的系統(tǒng)電壓，并為定義的UV/OV閾值提供可選的±5%、±10%或±15%窗口，無(wú)需外部元件及其變體。窗口可通過(guò)SET引腳的狀態(tài)進(jìn)行選擇，以使系統(tǒng)工程師能夠靈活地優(yōu)化其設(shè)計(jì)。與我們討論的第一種類型的架構(gòu)不同，這些窗口電壓監(jiān)控器的V_CC是被監(jiān)控電壓。因此，沒(méi)有單獨(dú)的監(jiān)控引腳。圖4所示為MAX6762的功能框圖，顯示了UV/OV閾值窗口選項(xiàng)和輸出配置。

圖4 MAX6762的功能框圖，這是具有工廠調(diào)整閾值的窗口電壓監(jiān)控器的示例

需要嚴(yán)格調(diào)節(jié)電壓且對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用可輕松選擇嚴(yán)格容差選項(xiàng)。另一方面，如果應(yīng)用對(duì)電源噪聲的容忍度更高且不需要嚴(yán)格調(diào)節(jié)，則可以選擇設(shè)置更寬的容差，以充分?jǐn)U大可用電源窗口，避免過(guò)度敏感和系統(tǒng)振蕩。通過(guò)該架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員可利用解決方案來(lái)平衡靈活性與復(fù)雜性。工廠調(diào)整的電壓無(wú)需外部電阻，同時(shí)允許通過(guò)SET引腳靈活地選擇合適的窗口，從而簡(jiǎn)化了解決方案。

圖5顯示了無(wú)線收發(fā)器的簡(jiǎn)化電源樹示例。除了需要出色的噪聲性能，該應(yīng)用還需要嚴(yán)格調(diào)節(jié)供電軌。低壓差(LDO)穩(wěn)壓器等后線性穩(wěn)壓器通常用于抑制開關(guān)噪聲帶來(lái)的噪聲以及上游電源中開關(guān)穩(wěn)壓器的諧波分量，但有時(shí)，高性能開關(guān)穩(wěn)壓器便已足夠。然而，使用窗口電壓監(jiān)控器可確保模擬和數(shù)字電源在工作時(shí)滿足嚴(yán)格的調(diào)節(jié)要求，從而提高整體可靠性。在該示例中，具有已定義閾值窗口的MAX6762監(jiān)控供電軌。由于使用的穩(wěn)壓器具有出色的噪聲性能，因此可以選擇更嚴(yán)格的容差。UV輸出配置為邏輯或，可將微處理器置于復(fù)位模式，OV輸出則作為微處理器不可屏蔽中斷(NMI)的輸入。

圖5 收發(fā)器微處理器的電源樹示例

表2列出了窗口電壓監(jiān)控器的示例，這些監(jiān)控器提供具有可選窗口的工廠調(diào)整電壓閾值。此類型架構(gòu)提供單通道和雙通道版本，并有獨(dú)立UV和OV輸出或單一UV/OV輸出可供選擇。

表2 具有工廠調(diào)整電壓閾值和可選窗口的窗口電壓監(jiān)控器

提供單一UV/OV輸出的工廠調(diào)整電壓和窗口

此架構(gòu)可在工廠設(shè)置的閾值窗口中檢測(cè)UV或OV故障。它與前文討論的第二種類型的架構(gòu)之間的區(qū)別在于，UV/OV閾值的容差是工廠調(diào)整的。采用此架構(gòu)的常見監(jiān)控器提供單一復(fù)位輸出。此外，可在單芯片中監(jiān)控多個(gè)電壓軌的多通道選項(xiàng)提供各種閾值，以適應(yīng)不同的電源電壓和容差。

圖6 工廠調(diào)整閾值和容差的功能框圖

在圖6中，此類型窗口電壓監(jiān)控器使用內(nèi)部比較器根據(jù)輸入電壓(IN)和輸入電源電壓(VDD)來(lái)確定輸入條件。通過(guò)IN引腳分別為UVLO電平及被監(jiān)控電壓的OV和UV監(jiān)控VDD電平。如果IN超出預(yù)編程的UV/OV窗口，復(fù)位輸出將置位?；鶞?zhǔn)電壓決定了各種工廠調(diào)整的標(biāo)稱輸入電壓，以及符合給定閾值精度規(guī)格的廣泛輸入容差選項(xiàng)。容差根據(jù)編程的標(biāo)稱輸入電壓設(shè)置UV/OV閾值水平。此外，該電壓監(jiān)控器在窗口閾值具有內(nèi)部滯回，可幫助避免噪聲引起的多重故障條件。

MAX16193采用該架構(gòu)，這是一款精度為0.3%的雙通道監(jiān)控電路，其選定的標(biāo)稱輸入電壓(VIN_NOM)為0.9 V，輸入容差水平(TOL)為4%。以下公式用于確定UV和OV閾值水平（UV_TH和OV_TH）：

在電源電壓范圍內(nèi)，閾值精度(ACC)為0.3%，如下所示：

為幫助我們直觀地看到這些值，圖7顯示了已計(jì)算參數(shù)的圖解。計(jì)算結(jié)果可通過(guò)使用窗口電壓監(jiān)控計(jì)算器獲得，該工具可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員確保設(shè)備規(guī)格符合電源操作窗口等設(shè)計(jì)要求。圖7顯示，使用該標(biāo)稱電壓為0.9V、容差為4%、閾值精度為0.3%的器件后，電源工作窗口將為±3.7%。此示例適合內(nèi)核電壓較低且需要嚴(yán)格調(diào)節(jié)的應(yīng)用。

圖7 MAX16193的窗口電壓計(jì)算器樣本計(jì)算結(jié)果

您可從以下產(chǎn)品頁(yè)面下載此工具：MAX16138、MAX16191、MAX16193、MAX16132至MAX16135、MAX16137。

其他采用相同架構(gòu)的產(chǎn)品包括MAX16132至MAX1635，這是一系列低電壓、高精度單/雙/三/四電壓監(jiān)控器，其中MAX16132/MAX16133/MAX16134提供獨(dú)立復(fù)位輸出，MAX16135提供雙復(fù)位輸出。這些器件的溫度和窗口閾值監(jiān)控閾值精度為±1%，非常適合汽車高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)應(yīng)用。這些器件提供多個(gè)標(biāo)稱電壓選項(xiàng)可供選擇，以支持應(yīng)用要求。ADAS解決方案包含攝像頭、遠(yuǎn)程雷達(dá)、超聲、光探測(cè)和測(cè)距(LIDAR)檢測(cè)技術(shù)。圖8顯示了ADAS框圖的示例，其中窗口電壓監(jiān)控器位于電源管理系統(tǒng)模塊中的電源監(jiān)控器類別下。檢測(cè)電路要求為放大器、ADC、雷達(dá)收發(fā)器和微控制器等器件監(jiān)控多個(gè)不同的電壓軌，范圍可能從1.8 V到5 V不等。當(dāng)系統(tǒng)中的電源電壓無(wú)法提供足夠的電壓電平時(shí)，系統(tǒng)準(zhǔn)確感知環(huán)境的能力就會(huì)受到負(fù)面影響。實(shí)際上，傳感器可能很難準(zhǔn)確檢測(cè)和跟蹤物體，從而導(dǎo)致誤警報(bào)或漏報(bào)³。MAX16132至MAX1635提供多個(gè)可供選擇的調(diào)整電壓閾值選項(xiàng)，這些選項(xiàng)能夠以高精度支持ADAS要求，從而滿足嚴(yán)格的調(diào)節(jié)要求。這些器件提供可在工廠編程設(shè)置的標(biāo)稱輸入電壓，范圍為1 V至5 V，并為±4%至±11%的輸入容差、0.25%和0.5%的滯回提供廣泛選項(xiàng)。

圖8 ADAS功能框圖

該窗口電壓監(jiān)控器通常用于協(xié)作機(jī)器人(cobot)等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。協(xié)作機(jī)器人是一種自主機(jī)器人工人，負(fù)責(zé)執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)和危險(xiǎn)任務(wù)，在共享工作空間內(nèi)與人類工人一起工作。協(xié)作機(jī)器人配備多種具有安全特性的傳感器，當(dāng)它們檢測(cè)到附近有人或與人類工人接觸時(shí)會(huì)自動(dòng)停止，然后等人類工人離開該區(qū)域后，又恢復(fù)工作。機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制可通過(guò)FPGA的快速處理能力實(shí)現(xiàn)⁴。經(jīng)過(guò)微調(diào)的電機(jī)控制和穩(wěn)定反饋回路等關(guān)鍵功能需要高精度電源系統(tǒng)監(jiān)控器，而MAX16134可以提供此類監(jiān)控器。

圖9 協(xié)作機(jī)器人功能框圖 

表3中顯示的不同通用產(chǎn)品提供工廠調(diào)整的閾值電壓和容差選項(xiàng)，這些產(chǎn)品具有給定精度以及不同的通道數(shù)。

表3 具有工廠調(diào)整電壓閾值和容差的窗口電壓監(jiān)控器

結(jié)論

窗口電壓監(jiān)控器通過(guò)監(jiān)控欠壓和過(guò)壓來(lái)降低電源故障的可能性，從而提高可靠性和系統(tǒng)穩(wěn)健性。ADI提供多種窗口電壓監(jiān)控器可供選擇，以支持不同的應(yīng)用。ADI設(shè)計(jì)并提供不同的架構(gòu)以用于設(shè)置電壓閾值和容差，幫助系統(tǒng)架構(gòu)師完成優(yōu)秀的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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4 R.Niranjana?！盎贔PGA的機(jī)器人和自動(dòng)化”。FPGA Insights，2023年8月。

作者簡(jiǎn)介

Camille Bianca Gomez是多市場(chǎng)Power-East事業(yè)部的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。她于2022年3月加入ADI公司，并在德拉薩大學(xué)拉古納分校獲電子工程學(xué)士學(xué)位。她曾在一家汽車制造公司工作了3.5年，擔(dān)任設(shè)計(jì)工程師一職，目前她專注于高性能電源監(jiān)控產(chǎn)品的支持與產(chǎn)品開發(fā)。

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(chǎng)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(guó)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(guò)重要職務(wù)。