应用笔记 2853

多电压系统监控器

By: Greg Sutterlin

摘要 : 随着处理器变得越来越复杂,确保处理器可靠工作成为一个棘手问题,对监控电路的要求也越来越多。
  • 多电压监控电路需要提供上电复位、正确的排序和连续的电压监视。
  • 目前市场上先进的处理器要求更低的供电电压,因而需要使用新型低电压监视器。
  • 最新的监控电路需要额外的功能,如:看门狗定时器、手动复位输入和电源失效比较器等。

越来越高的元器件密度和处理器速度要求更低的核电压,由此,多电压系统应运而生。最早的多电压系统是用于逻辑电源和核电源的双电压监视器。随后又增加了第三路监控电压,用于FPGA、定制ASIC及其它产品,有些应用甚至需要第四路电压电平监控器。Maxim的监控IC始终与复杂度不断增加的产品保持同步发展,为多电压系统提供监视和控制功能。

多电压系统监控

在多电压系统中,用来产生上电复位(POR)的简单办法是监视3.3V或5V逻辑电源。上电期间,当逻辑电压上升至门限以上时,监控器启动一次复位过程,确保有序地打开处理器。只要处理器的电源电压在规定的范围内(正常工作期间),监控器将连续监控电压的瞬变和掉电条件。

但是,如何保证较低核电压/电源电压下器件工作的完整性? 这些电源电压通常由线性稳压器或开关电源提供,这种情况下怎样在复位周期结束前保证电压符合规范要求? 如果在多电压系统中只监视一路电压,则有可能无法检测到供电异常的器件,该器件可能加载到总线或出现错误响应,导致软件偏离所要求的流程。因此,可靠设计的基础是:必须监视每一路供电电压。

现有的监控器可监视二、三、四路电源电压,可由工厂设置门限,或由工厂设定门限与电阻调节相结合。工厂设置的门限通常能够在监控电压以下按照50mV至100mV的步长递增,根据对监控电路的容差要求进行选择。比如,一个监控器的门限为3.3V、3.08V、2.93V和2.63V,按照所要求的电压值和对应的后缀确定器件的尾标。

工厂设置的监控电路为单芯片器件,无需外部元件设置门限。由于省去了设置门限的电阻分压器,因而省去了一个功耗源。从另一方面考虑,通过电阻调节门限的器件比较适合电压要求灵活的系统。监控电路确定后,可通过替换一个或两个电阻轻松调节监控门限。对于单电源系统,也可使用同一多电压监控电路,只需禁止其它输入。

多电压系统中的低压监控

由于逻辑电源从5.0V或3.3V降至2.5V或1.8V,要求监控器能够监测低至0.9V的电压。这样的监控器直接工作于1.8V电压,较高的电压在系统中不再是通用电源,可能无法得到。在有效工作状态和无效状态下,要求监控电路能够在低至1.0V、甚至更低的电压下保持有效的复位信号。抑制短暂的电源瞬变是低压系统的另一个重要特性(良好的瞬变抑制能力)。许多数据资料给出了瞬变持续时间与电压过驱动之间的关系,使系统设计避免由于电源的固有噪声产生不必要的复位。

器件工作原理与特性

目前市场上能够提供的监控IC具有非常高的灵活性,满足系统的各种要求。除了多电压监控外,这些器件还确保设计稳定性,受硬件、软件瞬态条件的影响更小。以下考虑因素对于选择一款监控电路非常重要。

复位周期:

复位周期是当所有监视电压超出其复位门限后,复位输出保持复位状态的时间,通常最小值是140ms。这样,复位引脚在所有监视电压上升至其门限以上后的140ms (最小值)内仍保持复位状态。复位命令使软件回到特定的代码位置,由此可初始化一次有序启动过程。

出现低电压、手动复位或看门狗超时时也会导致复位。复位信号将对代码进行初始化,避免处理器运行在由于低电压或软件缺陷而被破坏的代码中。如果处理器规范允许,可适当增加或降低复位周期,目前器件可提供的复位周期范围是1ms至1.2s。

复位周期可为电源电压、晶体和锁相环达到稳定提供足够的时间。晶体和PLL对复位周期的选择影响最大,不带PLL的20MHz晶体只需较短的复位超时周期,但通过PLL锁相至20MHz的32kHz晶体则需要较长的超时周期。

复位输出:

低电平有效的推挽式复位输出适用于多数应用,器件也可提供其它输出类型,如,在一个传统的8051应用中采用监控电路取代RC延迟电路时,监控电路须提供高电平有效的推挽输出、或低电平有效的开漏输出、或同时提供这两种输出。

开漏输出一般更加灵活,这种输出允许简单的“线或”连接,并可轻松地与工作在多电压系统中的其它器件连接。开漏输出可通过多种互不相连的复位信号源拉低输出。当然,这种灵活性需要接外部上拉电阻。

单电源系统的推挽输出非常简单,但在多电压系统应用中要多加注意。例如,用两路电压监控电路监视3.3V和5.5V电源。对于有一路推挽复位输出的两个内部电压监控电路,其输出摆幅在地与3.3V之间或地与5.5V之间(另一电路)。这时可以选择电压摆幅与处理器复位输入一致的输出。有时,双电压监控器可能具有两路输出:一路用于监视3.3V,另一路用于监视5.5V。根据对复位输出摆幅的要求,输出摆幅分别为对应的监控电压、或两路输出摆幅均在同一电源电压,选择监控器。

负向电压瞬变抑制:

无论是由线性稳压器供电,还是开关转换器供电,嘈杂的数字环境都会造成电源电压的瞬变。系统设计的关键是能够连续监视电源电压,并在正常工作器件避免不必要的复位。下图(可在指定器件的数据资料中找到)说明了造成器件复位的瞬间过驱动幅度和持续时间(图1)。

图1. MAX6381的典型瞬变持续时间与过驱动的关系曲线
图1. MAX6381的典型瞬变持续时间与过驱动的关系曲线

如图所示,50µs、50mV的瞬变不会引起器件复位,复位发生在更长的持续时间或更大的瞬变幅度下。该图说明了器件避免不必要复位的方式。注意,能够抑制更高电平瞬变的监控电路允许使用低成本电源,需要较少的滤波元件(假设处理器能够接受相应的电源电压变化)。

看门狗定时器:

看门狗定时器用于保证软件的正常工作,如果由于程序缺陷或硬件故障导致软件停留在一阁死循环中,看门狗定时器将复位处理器,使处理器重新初始化。为避免复位,在定时器的每个超时周期结束之前,软件必须在看门狗输入端产生一个跳变沿。跳变沿(一个低电平或高电平输入)排除了处理器闭锁输出禁止看门狗工作的可能性。必须在超时周期结束(产生看门狗复位)之前,由软件复位定时器(一个跳变沿)。

看门狗定时器的巧妙之处在于定时器复位,防止软件进入死循环。设计中,可以在一个子程序中设置一次由低到高的跳变,而在下一子程序中设置一次由高到低的跳变。这样,一旦一个子程序出现死循环将会触发一次复位。如果只在一个子程序里设置产生由低到高、由高到低的脉冲则有可能出现死循环时不产生复位,造成软件闭锁。

为了满足处理器供电更加严格的上电和稳定性要求,一些监控电路需要提供较长的初始化看门狗周期,从而为处理器提供足够的时间进行初始化,在执行后续的更短时间、更严格的看门狗复位间隔之前进行完成自身的配置。

手动复位:

手动复位为用户和器件功能测试提供了一种简便的处理器复位方式。有些监控产品提供低电平有效的复位输入,带内部上拉电阻,无需外部电阻,并可使用简单的开关接口。与手动复位输入有关的一个特殊功能是干扰抑制。干扰抑制电路可防止不必要的复位,并省去了外部开关去抖电路。

手动复位触发一次复位周期,为降低测试时间,复位时间应尽量短。MAX6390 IC非常适合这种要求,其手动复位时间为典型复位时间的1/8 (对于MAX6390D4,手动复位脉冲最小值为140ms,典型复位时间为1.12s)。

除了电平手动复位输入外,一些应用中可能需要边沿手动复位输入,以确保处理器在固定周期内完成复位过程,而与手动复位输入保持低电平的时间无关。这一特点对于降低产品组装时间和测试时间非常方便。

过压和负压监视:

对于需要自检的医疗或安全设备,监控器可使能过压和欠压检测。这些器件具有电阻可编程输入,当被监视电压超出对应的门限时,强制复位。与欠压条件类似,过压也会在固件和硬件中产生不可预知的结果。强制处理器进入复位状态有助于减轻潜在的不安全因素。

发生模拟输出故障有多种原因,但一个简单的负压监视器可以确定所要求的电源电压是否存在或是否合乎规范要求。例如,具有-5V或-15V电源的模拟电路,模拟输出会在没有电源电压反馈的情况下验证电路的有效性。幸运的是,过压监视器也能用来监视负压。对于过压故障,通过电源和VCC之间的外部电阻分压器检测电源电压(图2)。

图2. 使用MAX6347来监视负压
图2. 使用MAX6347来监视负压

电源排序:

为在上电过程中防止出现闭锁并提高系统稳定性,多电压监控系统通常对VI/O到Vcore电压或Vcore到VI/O电压进行排序、跟踪。跟踪意味着I/O电压与核电压同步上升,而且(一般情况下)核电压不能比I/O电压超出0.30V。排序表示I/O电源比核电源先上电,系统通常还会指定从I/O电源上电到核电源上电的延迟时间。

双电源系统(I/O = 3.3V和核电压 = 2.5V)电源排序的一种方法是采用单电源监控器检测3.3V电源。当电压超出指定门限时,监控器触发延迟并驱动一个外部p沟道MOSFET (图3)。这种方法具有较高的性价比,适合小电流应用。大电流情况下,具有低Vgs门限、低Rdson的p沟道FET的成本会很高。


图3. 利用MAX6347实现电源排序
图3. 利用MAX6347实现电源排序

对于更大电流的应用,可以使用带电荷泵的电源排序器。如上例所述,通过监视一路电源电压并驱动外部FET,开启第二路电源。由于IC允许使用n沟道FET,与p沟道器件相比可有效节省成本。内部电荷泵提供5.0V Vgs电压,增强n沟道FET驱动,提供第二路系统供电电源。n-FET不仅成本低,而且Rdson也更低。

MAX6819和MAX6820是采用SOT-23封装的电源排序器,无需外部电荷泵电容。MAX6819具有固定的200ms延时,MAX6820提供可变延时,由外部电容设置延时,如下式所示:

tDELAY(sec) = 2.484x10-6(Cset)。

在多于两路电源的应用中,这些IC还可用来直接排序。为对每路电源进行排序,需要为每个电源增加一个排序器(图4)。

图4. 多电源排序
图4. 多电源排序

电源失效比较器:

如果系统要求提供电源失效报警或低电池电压报警,可选择包扩逻辑电平复位和电源失效检测比较器的监控电路。例如,MAX6342系列IC,复位门限由工厂设置。外部电阻分压器用于设置电源失效检测门限或低电池电压检测门限。由于门限电压为1.25V,可用于监视高于和低于VCC的电压,最小门限为1.25V。对于更多的电源电压,可以选择开漏输出器件,利用第二个监控器监视其它核电压。

电压检测:

监视系统不能过分强调对所有电源电压进行监控的重要性。可通过反馈电路或驱动处理器复位引脚的监控电路实现。反馈可以是测量系统电压的A/D转换器,或通过软件监视器件功能。每种方法都可确保电路板正确供电。

另一简便方法是采用电压检测器,可获得同样结果。电压检测比监控电路提供更加清晰的信息,可以指出哪路电源电压出现了故障。监控电路通常对所有电压监控输出进行“或”运算,产生单路复位输出,多路电压检测器则提供漏极开路输出,分别检查每路电压,以确定哪路电源出现问题。例如,4电压监视器采用独立的漏极开路输出,器件包含电阻可编程门限以及工厂预设门限,用于监视1.8V、2.5V、3.3V、5.0V或-5.0V电源电压。内部精密电压基准和电阻分压器使这些IC结构非常紧凑。

结论

多电源供电、越来越小的管芯尺寸以及对产品可靠性要求的不断提高,迫切需要完备的电源监控或电源电压监视器。本文介绍了针对这一目的或用于高可靠性系统设计的监控产品。