多電壓系統監控器

多電壓系統監控

在多電壓系統中，用來產生上電復位(por)的簡單辦法是監視3.3v或5v邏輯電源。上電期間，當邏輯電壓上升至門限以上時，監控器啟動一次復位過程，確保有序地打開處理器。只要處理器的電源電壓在規定的范圍內(正常工作期間)，監控器將連續監控電壓的瞬變和掉電條件。

但是，如何保證較低核電壓/電源電壓下器件工作的完整性？這些電源電壓通常由線性穩壓器或開關電源提供，這種情況下怎樣在復位周期結束前保證電壓符合規范要求？如果在多電壓系統中只監視一路電壓，則有可能無法檢測到供電異常的器件，該器件可能加載到總線或出現錯誤響應，導致軟件偏離所要求的流程。因此，可靠設計的基礎是：必須監視每一路供電電壓。

現有的監控器可監視二、三、四路電源電壓，可由工廠設置門限，或由工廠設定門限與電阻調節相結合。工廠設置的門限通常能夠在監控電壓以下按照50mv至100mv的步長遞增，根據對監控電路的容差要求進行選擇。比如，一個監控器的門限為3.3v、3.08v、 2.93v和2.63v，按照所要求的電壓值和對應的后綴確定器件的尾標。

工廠設置的監控電路為單芯片器件，無需外部元件設置門限。由于省去了設置門限的電阻分壓器，因而省去了一個功耗源。從另一方面考慮，通過電阻調節門限的器件比較適合電壓要求靈活的系統。監控電路確定后，可通過替換一個或兩個電阻輕松調節監控門限。對于單電源系統，也可使用同一多電壓監控電路，只需禁止其它輸入。

多電壓系統中的低壓監控

由于邏輯電源從5.0v或3.3v降至2.5v或1.8v，要求監控器能夠監測低至0.9v的電壓。這樣的監控器直接工作于1.8v電壓，較高的電壓在系統中不再是通用電源，可能無法得到。在有效工作狀態和無效狀態下，要求監控電路能夠在低至1.0v、甚至更低的電壓下保持有效的復位信號。抑制短暫的電源瞬變是低壓系統的另一個重要特性(良好的瞬變抑制能力)。許多數據資料給出了瞬變持續時間與電壓過驅動之間的關系，使系統設計避免由于電源的固有噪聲產生不必要的復位。

器件工作原理與特性

目前市場上能夠提供的監控ic具有非常高的靈活性，滿足系統的各種要求。除了多電壓監控外，這些器件還確保設計穩定性，受硬件、軟件瞬態條件的影響更小。以下考慮因素對于選擇一款監控電路非常重要。 復位周期:

復位周期是當所有監視電壓超出其復位門限后，復位輸出保持復位狀態的時間，通常最小值是140ms。這樣，復位引腳在所有監視電壓上升至其門限以上后的140ms (最小值)內仍保持復位狀態。復位命令使軟件回到特定的代碼位置，由此可初始化一次有序啟動過程。

出現低電壓、手動復位或看門狗超時時也會導致復位。復位信號將對代碼進行初始化，避免處理器運行在由于低電壓或軟件缺陷而被破壞的代碼中。如果處理器規范允許，可適當增加或降低復位周期，目前器件可提供的復位周期范圍是1ms至1.2s。

復位周期可為電源電壓、晶體和鎖相環達到穩定提供足夠的時間。晶體和pll對復位周期的選擇影響最大，不帶pll的20mhz晶體只需較短的復位超時周期，但通過pll鎖相至20mhz的32khz晶體則需要較長的超時周期。

復位輸出:

低電平有效的推挽式復位輸出適用于多數應用，器件也可提供其它輸出類型，如，在一個傳統的8051應用中采用監控電路取代rc延遲電路時，監控電路須提供高電平有效的推挽輸出、或低電平有效的開漏輸出、或同時提供這兩種輸出。

開漏輸出一般更加靈活，這種輸出允許簡單的“線或”連接，并可輕松地與工作在多電壓系統中的其它器件連接。開漏輸出可通過多種互不相連的復位信號源拉低輸出。當然，這種靈活性需要接外部上拉電阻。 單電源系統的推挽輸出非常簡單，但在多電壓系統應用中要多加注意。例如，用兩路電壓監控電路監視3.3v和5.5v電源。對于有一路推挽復位輸出的兩個內部電壓監控電路，其輸出擺幅在地與3.3v之間或地與5.5v之間(另一電路)。這時可以選擇電壓擺幅與處理器復位輸入一致的輸出。有時，雙電壓監控器可能具有兩路輸出：一路用于監視3.3v，另一路用于監視5.5v。根據對復位輸出擺幅的要求，輸出擺幅分別為對應的監控電壓、或兩路輸出擺幅均在同一電源電壓，選擇監控器。

負向電壓瞬變抑制:

無論是由線性穩壓器供電，還是開關轉換器供電，嘈雜的數字環境都會造成電源電壓的瞬變。系統設計的關鍵是能夠連續監視電源電壓，并在正常工作器件避免不必要的復位。下圖(可在指定器件的數據資料中找到)說明了造成器件復位的瞬間過驅動幅度和持續時間(圖1)。

如圖所示，50μs、50mv的瞬變不會引起器件復位，復位發生在更長的持續時間或更大的瞬變幅度下。該圖說明了器件避免不必要復位的方式。注意，能夠抑制更高電平瞬變的監控電路允許使用低成本電源，需要較少的濾波元件(假設處理器能夠接受相應的電源電壓變化)。

看門狗定時器:

看門狗定時器用于保證軟件的正常工作，如果由于程序缺陷或硬件故障導致軟件停留在一閣死循環中，看門狗定時器將復位處理器，使處理器重新初始化。為避免復位，在定時器的每個超時周期結束之前，軟件必須在看門狗輸入端產生一個跳變沿。跳變沿(一個低電平或高電平輸入)排除了處理器閉鎖輸出禁止看門狗工作的可能性。必須在超時周期結束(產生看門狗復位)之前，由軟件復位定時器(一個跳變沿)。

看門狗定時器的巧妙之處在于定時器復位，防止軟件進入死循環。設計中，可以在一個子程序中設置一次由低到高的跳變，而在下一子程序中設置一次由高到低的跳變。這樣，一旦一個子程序出現死循環將會觸發一次復位。如果只在一個子程序里設置產生由低到高、由高到低的脈沖則有可能出現死循環時不產生復位，造成軟件閉鎖。

為了滿足處理器供電更加嚴格的上電和穩定性要求，一些監控電路需要提供較長的初始化看門狗周期，從而為處理器提供足夠的時間進行初始化，在執行后續的更短時間、更嚴格的看門狗復位間隔之前進行完成自身的配置。

手動復位:

手動復位為用戶和器件功能測試提供了一種簡便的處理器復位方式。有些監控產品提供低電平有效的復位輸入，帶內部上拉電阻，無需外部電阻，并可使用簡單的開關接口。與手動復位輸入有關的一個特殊功能是干擾抑制。干擾抑制電路可防止不必要的復位，并省去了外部開關去抖電路。
手動復位觸發一次復位周期，為降低測試時間，復位時間應盡量短。max6390 ic非常適合這種要求，其手動復位時間為典型復位時間的1/8 (對于max6390d4，手動復位脈沖最小值為140ms，典型復位時間為1.12s)。

除了電平手動復位輸入外，一些應用中可能需要邊沿手動復位輸入，以確保處理器在固定周期內完成復位過程，而與手動復位輸入保持低電平的時間無關。這一特點對于降低產品組裝時間和測試時間非常方便。

過壓和負壓監視:

對于需要自檢的醫療或安全設備，監控器可使能過壓和欠壓檢測。這些器件具有電阻可編程輸入，當被監視電壓超出對應的門限時，強制復位。與欠壓條件類似，過壓也會在固件和硬件中產生不可預知的結果。強制處理器進入復位狀態有助于減輕潛在的不安全因素。
發生模擬輸出故障有多種原因，但一個簡單的負壓監視器可以確定所要求的電源電壓是否存在或是否合乎規范要求。例如，具有-5v或-15v電源的模擬電路，模擬輸出會在沒有電源電壓反饋的情況下驗證電路的有效性。幸運的是，過壓監視器也能用來監視負壓。對于過壓故障，通過電源和vcc之間的外部電阻分壓器檢測電源電壓(圖2)。

電源排序:

為在上電過程中防止出現閉鎖并提高系統穩定性，多電壓監控系統通常對vi/o到vcore電壓或vcore到vi/o電壓進行排序、跟蹤。跟蹤意味著i/o電壓與核電壓同步上升，而且(一般情況下)核電壓不能比i/o電壓超出0.30v。排序表示i/o電源比核電源先上電，系統通常還會指定從i/o電源上電到核電源上電的延遲時間。

雙電源系統(i/o = 3.3v和核電壓 = 2.5v)電源排序的一種方法是采用單電源監控器檢測3.3v電源。當電壓超出指定門限時，監控器觸發延遲并驅動一個外部p溝道mosfet (圖3)。這種方法具有較高的性價比，適合小電流應用。大電流情況下，具有低vgs門限、低rdson的p溝道fet的成本會很高。

對于更大電流的應用，可以使用帶電荷泵的電源排序器。如上例所述，通過監視一路電源電壓并驅動外部fet，開啟第二路電源。由于ic允許使用n溝道fet，與p溝道器件相比可有效節省成本。內部電荷泵提供5.0v vgs電壓，增強n溝道fet驅動，提供第二路系統供電電源。n-fet不僅成本低，而且rdson也更低。

max6819和max6820是采用sot-23封裝的電源排序器，無需外部電荷泵電容。max6819具有固定的200ms延時，max6820提供可變延時，由外部電容設置延時，如下式所示：對于更大電流的應用，可以使用帶電荷泵的電源排序器。如上例所述，通過監視一路電源電壓并驅動外部fet，開啟第二路電源。由于ic允許使用n溝道fet，與p溝道器件相比可有效節省成本。內部電荷泵提供5.0v vgs電壓，增強n溝道fet驅動，提供第二路系統供電電源。n-fet不僅成本低，而且rdson也更低。

max6819和max6820是采用sot-23封裝的電源排序器，無需外部電荷泵電容。max6819具有固定的200ms延時，max6820提供可變延時，由外部電容設置延時，如下式所示：

tdelay(sec) = 2.484x10-6(cset)。

在多于兩路電源的應用中，這些ic還可用來直接排序。為對每路電源進行排序，需要為每個電源增加一個排序器(圖4)。

電源失效比較器:

如果系統要求提供電源失效報警或低電池電壓報警，可選擇包擴邏輯電平復位和電源失效檢測比較器的監控電路。例如，max6342系列ic，復位門限由工廠設置。外部電阻分壓器用于設置電源失效檢測門限或低電池電壓檢測門限。由于門限電壓為1.25v，可用于監視高于和低于vcc的電壓，最小門限為1.25v。對于更多的電源電壓，可以選擇開漏輸出器件，利用第二個監控器監視其它核電壓。

電壓檢測:

監視系統不能過分強調對所有電源電壓進行監控的重要性?？赏ㄟ^反饋電路或驅動處理器復位引腳的監控電路實現。反饋可以是測量系統電壓的a/d轉換器，或通過軟件監視器件功能。每種方法都可確保電路板正確供電。

另一簡便方法是采用電壓檢測器，可獲得同樣結果。電壓檢測比監控電路提供更加清晰的信息，可以指出哪路電源電壓出現了故障。監控電路通常對所有電壓監控輸出進行“或”運算，產生單路復位輸出，多路電壓檢測器則提供漏極開路輸出，分別檢查每路電壓，以確定哪路電源出現問題。例如，4電壓監視器采用獨立的漏極開路輸出，器件包含電阻可編程門限以及工廠預設門限，用于監視1.8v、2.5v、3.3v、5.0v或-5.0v電源電壓。內部精密電壓基準和電阻分壓器使這些ic結構非常緊湊。

結論

多電源供電、越來越小的管芯尺寸以及對產品可靠性要求的不斷提高，迫切需要完備的電源監控或電源電壓監視器。本文介紹了針對這一目的或用于高可靠性系統設計的監控產品。