如何防止掉電狀況下的系統(tǒng)出錯

嵌入式系統(tǒng)等需要進行大量計算和數(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)雜的計算例程，因為這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，微控制器可能會發(fā)生故障并導(dǎo)致系統(tǒng)出錯。幸運的是，電壓監(jiān)控器專門設(shè)計用于解決這個問題。

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，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。

01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）。它提供的輸出信號通常稱為復(fù)位信號，用于將另一個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行會導(dǎo)致錯誤和故障的應(yīng)用來說，使用電壓監(jiān)控器也是十分合適的。有時，復(fù)位輸出也用于使能和禁用另一個器件，例如在任何需要一定輸入電壓范圍才能正常運行的應(yīng)用中。一個典型的應(yīng)用例子是使用電壓監(jiān)控器來讓穩(wěn)壓器正常運行，如圖1a所示。為了確保啟動期間正常運行，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)出錯的風(fēng)險。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。

圖1. ADM809是電壓監(jiān)控器的一個簡單例子，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。

02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，需要了解四個重要輸入規(guī)格參數(shù)。這將有助于系統(tǒng)設(shè)計人員實施電壓監(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，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，它會產(chǎn)生低電平復(fù)位輸出，如圖2中的時序圖所示。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。它還能實現(xiàn)更高的精度，因為它不依賴于外部因素（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

閾值精度是指實際閾值與計算的復(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，因為這對于設(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，電壓監(jiān)控器會反復(fù)發(fā)出或取消復(fù)位信號。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，因為受內(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)域顯示了一個例子。同時，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，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?？紤]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)生一個毛刺，稱為上電毛刺。當(dāng)電源電壓達(dá)到 VPOR時，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 VPOR。

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。

03電壓監(jiān)控器有哪些輸出規(guī)格參數(shù)需要考慮？

設(shè)計電壓監(jiān)控器時，需要考慮的一個因素是復(fù)位輸出極性和時序。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，RESET輸出將在指定時間內(nèi)保持有效，然后才會變?yōu)楦唠娖?。此時間延遲稱為復(fù)位超時周期 (tRP)，它可以是固定時間，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，復(fù)位輸出變?yōu)楦唠娖?；?dāng)被監(jiān)控電壓在復(fù)位超時周期 tRP后上升到閾值電壓以上時，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)位信號的時序圖。

根據(jù)具體應(yīng)用，需要考慮的另一個因素是輸出拓?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?/p>

推挽輸出拓?fù)?/p>

推挽輸出拓?fù)溆梢粚パaMOSFET組成，如圖7所示。當(dāng)?shù)撞縁ET關(guān)斷且頂部FET導(dǎo)通時，復(fù)位輸出變?yōu)楦唠娖?；?dāng)?shù)撞縁ET導(dǎo)通且頂部FET關(guān)斷時，復(fù)位輸出變?yōu)榈碗娖?。推挽輸出提供從低電平到高電平、從高電平到低電平的幾乎軌到軌的高速響?yīng)。

圖7. 推挽輸出拓?fù)洹?/p>

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)微控制器只有一個復(fù)位輸入時。

圖8. 單電壓系統(tǒng)。

開漏輸出拓?fù)?/p>

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)位連接一個外部上拉電阻到電源電壓。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，復(fù)位信號變?yōu)榈碗娖?；?dāng)MOSFET關(guān)斷時，復(fù)位信號變?yōu)楦唠娖健Ｉ侠娮杩梢赃B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。

開漏輸出的另一個優(yōu)點是“線或”功能。將兩個或多個監(jiān)控電路的開漏輸出連接到同一總線上，可以實現(xiàn)“負(fù)邏輯或”電路。這意味著，當(dāng)任何一個監(jiān)控電路的復(fù)位輸出變?yōu)榈碗娖綍r，總線為低電平。僅當(dāng)所有復(fù)位輸出都是高電平時，總線才為高電平。如果想要監(jiān)控多個電源，并在任何一個電源電壓下降時觸發(fā)復(fù)位，這種拓?fù)鋾芊奖恪?/p>

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)行時序控制，如圖10a和10b所示。在某些應(yīng)用中，正確的電源時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，以實現(xiàn)開/關(guān)控制方案。此類配置可用于過壓保護、低壓時序控制等電路。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)以實現(xiàn)系統(tǒng)功率循環(huán)?！?/p>

圖9. 多電壓系統(tǒng)共用一個微處理器復(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 序控制。(b)采用開漏拓?fù)涞腜溝道MOSFET過壓保護電路。

04結(jié)論

電壓監(jiān)控器用于使能、禁用或復(fù)位另一個器件。監(jiān)控器的常見應(yīng)用是復(fù)位微控制器。監(jiān)控器保護系統(tǒng)免受錯誤和故障的影響，從而提升應(yīng)用的整體可靠性。設(shè)計時需要考慮電壓監(jiān)控器的輸入、輸出和時序規(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，從而實現(xiàn)預(yù)期功能并提高系統(tǒng)可靠性。