電壓監(jiān)測(cè)裝置發(fā)揮多重功用

摘要

　　電壓監(jiān)控裝置及排序器已問市多年。目前新推出的裝置都采用數(shù)字運(yùn)作方式，因此可增加靈活性、監(jiān)視或定序通道的數(shù)量、可變電壓閥值及變動(dòng)時(shí)序參數(shù)。不過，即使使用這些新推出的高效能數(shù)字監(jiān)測(cè)裝置，舊型模擬監(jiān)測(cè)裝置仍然適用于少部份監(jiān)視的通道，也可在開關(guān)彈回防制之類的系統(tǒng)中提供其他功能，或用作定時(shí)元件。

　　市場(chǎng)趨勢(shì)使得數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)、微處理器及現(xiàn)場(chǎng)可程序門陣列 (FPGA) 制造商不斷提高時(shí)脈頻率以達(dá)到更高效能，同時(shí)也需要降低功耗，這兩個(gè)相斥的條件造就了多重電軌裝置的開發(fā)。一般多重電軌裝置會(huì)有一個(gè) I/O 電壓，其功能為輸入及輸出供電，例如驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總線，與既有邏輯設(shè)備進(jìn)行通訊或點(diǎn)亮 LED。I/O 電壓通常為 3.3V 或 5.0V，是電路板上較高的電壓之一。一個(gè)或多個(gè)較低的核心電壓會(huì)用來驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)的高頻率邏輯。低核心電壓允許邏輯迅速切換，同時(shí)可減少耗電，因?yàn)橄噍^于較高電壓，它能夠降低切換耗損。

　　這些高效能多重電壓裝置需要核心電壓的緊密公差 (tight tolerance)，才能使內(nèi)部邏輯正確運(yùn)作，并恰當(dāng)執(zhí)行軟件程序代碼。此外，在多重電壓裝置中，一般都有通電電壓排序需求，藉以避免在通電及斷電時(shí)造成鎖定與裝置損壞。電壓監(jiān)測(cè)裝器可用于這類高效能裝置，以確保在不同的電源條件下順利啟動(dòng)及執(zhí)行程序代碼。

　　在最簡(jiǎn)單的形式中，電壓監(jiān)測(cè)裝置包含電壓偵測(cè)電路，這會(huì)觸發(fā)定時(shí)器重設(shè)輸出訊號(hào)。不論是電壓監(jiān)測(cè)裝置或定時(shí)器，內(nèi)部都能夠使用數(shù)字或模擬電子裝置。圖 1 顯示了一個(gè)典型的電壓監(jiān)測(cè)電路。電壓偵測(cè)電路是帶有遲滯的比較器。需監(jiān)視的電壓一般會(huì)透過外部電阻分配器加以劃分，并且與參考電壓相比較。監(jiān)測(cè)裝置通電時(shí)，/RESET 輸出會(huì)下降。當(dāng)劃分的 SENSE 電壓超過參考電壓時(shí)，會(huì)觸發(fā)可重復(fù)觸發(fā)的單次定時(shí)器。該定時(shí)器會(huì)在一段固定的時(shí)間內(nèi)將 /RESET 訊號(hào)降低，并且將適當(dāng)?shù)?RESET 訊號(hào)發(fā)送給 DSP、微處理器、FPGA 或其他的復(fù)雜邏輯設(shè)備。

圖 1. 模擬電壓監(jiān)測(cè)裝置

　　除了單純監(jiān)視電軌之外，某些監(jiān)測(cè)裝置也使用監(jiān)控定時(shí)器 (WDT) 來監(jiān)視 DSP 或微處理器程序代碼的執(zhí)行。監(jiān)控定時(shí)器是一種特殊的計(jì)時(shí)裝置，如果 DSP 或微處理器無法定期重設(shè) WDT，便會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)重設(shè)。圖 2 顯示的是具有電壓監(jiān)視器及監(jiān)控定時(shí)器的監(jiān)測(cè)裝置。一般而言，DSP 或微處理器輸出接腳可用來驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)控輸入。DSP 必須定時(shí)變更輸出的邏輯狀態(tài)，以產(chǎn)生脈沖序列。監(jiān)控定時(shí)器會(huì)監(jiān)視此脈沖序列。如果軟件進(jìn)入無限循環(huán)或中止程序，導(dǎo)致 DSP 停止產(chǎn)生脈沖序列，則監(jiān)控定時(shí)器會(huì)逾時(shí)，而發(fā)出重設(shè)訊號(hào)來重新啟動(dòng) DSP，并能從任何軟件錯(cuò)誤中恢復(fù)。從停止脈沖到重設(shè)的時(shí)間長(zhǎng)度是由組成 WDT 電路的震蕩器及計(jì)數(shù)器所決定的，并且須視裝置而定。WDT 時(shí)間一般是 0.5 秒至 2 秒。

圖 2. 具有電壓監(jiān)視及監(jiān)控定時(shí)器的監(jiān)測(cè)裝置

　　透過數(shù)字方式也能夠使用相同的監(jiān)測(cè)裝置功能。圖 3 顯示使用數(shù)字電路采用的相同電壓監(jiān)測(cè)裝置。對(duì)于數(shù)字監(jiān)測(cè)裝置，仍然會(huì)劃分出需要監(jiān)視的電壓，以提供模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC) 輸入范圍內(nèi)的偵測(cè)電壓 (SENSE)。接著 ADC 會(huì)將 SENSE 電壓轉(zhuǎn)換為微處理器可辨識(shí)的數(shù)字訊號(hào)。微處理器的 I/O 接腳可用來驅(qū)動(dòng)開汲極 MOSFET，以提供重設(shè)訊號(hào)。數(shù)字監(jiān)測(cè)裝置可提供模擬監(jiān)測(cè)裝置所沒有的功能。

圖 3. 數(shù)字電壓監(jiān)測(cè)裝置

　　數(shù)字監(jiān)測(cè)裝置含有微處理器，因此功能與靈活性都比模擬監(jiān)測(cè)裝置好。某些數(shù)字監(jiān)測(cè)裝置提供序列信道，能夠與其他電源管理裝置或主要的微處理器進(jìn)行通訊。關(guān)鍵參數(shù)及配置信息可儲(chǔ)存于監(jiān)測(cè)裝置中，透過序列通道即可加以讀取和修改。這使得重設(shè)閥值能夠透過軟件加以修改，完全不需要變更外部電壓分配器。此外，ADC 能夠讓微處理器讀取大范圍的 SENSE 電壓，而模擬監(jiān)測(cè)裝置電壓偵測(cè)比較器僅提供訊號(hào)來決定電壓高于或低于參考電壓。大范圍的 SENSE 電壓允許數(shù)字監(jiān)測(cè)裝置設(shè)定變動(dòng)欠壓監(jiān)測(cè)、變動(dòng)過壓監(jiān)測(cè)及電壓不足偵測(cè)。另外，數(shù)字監(jiān)測(cè)裝置使用的大多數(shù)微處理器都有許多 I/O 接腳，因此能夠以相同裝置監(jiān)視多個(gè)電壓電軌。數(shù)字電壓監(jiān)測(cè)裝置能夠監(jiān)測(cè) 12 個(gè)不同的電軌，因此非常適用于復(fù)雜的大型系統(tǒng)。

　　電壓排序器是衍生自電壓監(jiān)測(cè)器的一種裝置。電壓排序器可用來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電源供應(yīng)的啟用接腳，以提供多重電壓電軌的通電及斷電排序。圖 4 顯示多重電壓電軌系統(tǒng)適用的通電/斷電配置范例。電壓會(huì)隨著其他的系統(tǒng)電壓在給定時(shí)間升降。電壓排序器則用來控制和監(jiān)視通電及斷電時(shí)序。

圖 4. 通電及斷電排序范例

　　排序器為電源供應(yīng)提供賦能訊號(hào)，而非提供系統(tǒng) RESET 訊號(hào)。排序器一般是數(shù)字電路型或微處理器型裝置，能夠針對(duì)個(gè)別系統(tǒng)獨(dú)特的各種通電及斷電排序可能性與組合進(jìn)行設(shè)定。電壓排序器可根據(jù)時(shí)間或其他電源供應(yīng)的狀態(tài)啟用電源供應(yīng)。啟用電源供應(yīng)后，電源排序器會(huì)監(jiān)視欠壓或過壓事件的電源供應(yīng)，并且在這些事件發(fā)生時(shí)采取適當(dāng)動(dòng)作。適當(dāng)動(dòng)作包括停用被監(jiān)視電源的供應(yīng)及其他電源供應(yīng)、重試失效的電源供應(yīng)、取消所有電源供應(yīng)的排序或采取其他設(shè)定動(dòng)作。電壓排序器能夠以單一排序 IC控制最多 8 個(gè)電源供應(yīng)。排序器 ICs 可在必要時(shí)串接，以提供 8 個(gè)以上電源供應(yīng)的排序。圖 5 顯示的是 8 信道電壓排序器的一般配置。

　圖 5. 8 信道電壓排序器

　　監(jiān)測(cè)裝置的電壓位準(zhǔn)觸發(fā)單次基本功能可用于預(yù)期用途以外的多種應(yīng)用。例如，電壓監(jiān)測(cè)裝置的其中一種常見應(yīng)用是提供按鈕開關(guān)的跳動(dòng)消除機(jī)制。一般開啟時(shí)，按鈕開關(guān)都未按下，因此接點(diǎn)不會(huì)接觸而形成電路。其中的機(jī)械部份會(huì)快速?gòu)椈兀虼?，在最終機(jī)械部份固定而形成電路之前，連接和中斷連接的時(shí)間只有幾毫秒。如果使用開關(guān)來引發(fā)邊緣觸發(fā)邏輯，開關(guān)彈回時(shí)會(huì)有多次邏輯錯(cuò)誤觸發(fā)的情形。放開按鈕使得電路成為開路時(shí)，開關(guān)也會(huì)彈回。

　　大多數(shù)的監(jiān)測(cè)裝置都有手動(dòng)重設(shè)開關(guān)的輸入，而開關(guān)與接腳連接 (一般標(biāo)示為 MR)。按下開關(guān)時(shí)會(huì)啟動(dòng)重設(shè)，情況就好像是監(jiān)測(cè)的電壓降低。監(jiān)測(cè)裝置可用來將按鈕連接于此接腳，以避免按鈕開關(guān)彈回。重設(shè)時(shí)間必須比使開關(guān)不彈回或彈回的時(shí)間更長(zhǎng)。圖 6 顯示電壓監(jiān)測(cè)裝置做為開關(guān)彈回防制電路的范例，其中按鈕開關(guān)連接于 TPS3808 的 MR 接腳。開關(guān)規(guī)格規(guī)定彈回時(shí)間最長(zhǎng) 8 毫秒，而不彈回時(shí)間最長(zhǎng) 10 毫秒。外部 2.2nF 電容將重設(shè)時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)定為 13 毫秒，這比不彈回或彈回的時(shí)間都要長(zhǎng)。圖 7 顯示按鈕輸入及重設(shè)輸出的預(yù)期波形。

圖 6. 用于開關(guān)彈回防制的監(jiān)測(cè)裝置

圖 7. 開關(guān)彈回防制電路的時(shí)序

　　圖 8 顯示監(jiān)測(cè)裝置在相機(jī)閃光電路中做為簡(jiǎn)單定時(shí)器來驅(qū)動(dòng)高電流白光 LED (WLED) 的另一個(gè)范例。在此范例中，高功率 WLED 是由 1A 的電流驅(qū)動(dòng)，因此能夠產(chǎn)生數(shù)字?jǐn)z影所需的高亮度閃光。然而，由于本身封裝的散熱限制，WLED 無法一直維持這樣的電流量。放開閃光按鈕時(shí)，監(jiān)測(cè)裝置會(huì)提供 570 毫秒的 LED 閃光。