做好自啟動(dòng)不容易，理解穩(wěn)壓器和帶隙基準(zhǔn)的上電復(fù)位需求

　　自啟動(dòng)是必需的，但有時(shí)卻難以實(shí)現(xiàn)，無(wú)論是激發(fā)人體，還是冷啟動(dòng)汽車(chē)，或者是給IC提供POR（上電復(fù)位），都會(huì)面臨這樣的問(wèn)題。POR可以確保系統(tǒng)在已知的安全狀態(tài)下啟動(dòng)。在此，我們將討論幾種誤用這一技術(shù)的情形，幫助設(shè)計(jì)者避免啟動(dòng)問(wèn)題。

　　引言

　　公司招聘銷(xiāo)售人員和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師時(shí)，積極主動(dòng)是這些人員必備的良好素質(zhì)；Charles Kettering發(fā)明的自動(dòng)檔汽車(chē)則是“主動(dòng)性”的另一種表現(xiàn)形式，老式汽車(chē)都需要手動(dòng)檔啟動(dòng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　同樣，許多IC（集成電路）在上電時(shí)也需要一個(gè)處理過(guò)程。啟動(dòng)時(shí)，模擬電路和數(shù)字電路需要進(jìn)入一個(gè)預(yù)定狀態(tài)，為此，我們采用稱(chēng)之為POR （上電復(fù)位）的電路。

　　POR確保上電時(shí)按照預(yù)定順序有序執(zhí)行操作，例如，首先提供電路偏置并保持穩(wěn)定，以確保電路的正確控制。立體聲系統(tǒng)是一個(gè)眾所周知的例子，接通電源后，可能會(huì)延遲10秒鐘左右播放音頻信號(hào)，以避免功放和揚(yáng)聲器受到開(kāi)機(jī)瞬間浪涌電流的沖擊。典型情況下，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的功放偏置在電源擺幅的一半，靜態(tài)狀態(tài)下，揚(yáng)聲器信號(hào)為直流電壓。如果上電時(shí)就建立靜態(tài)偏置，則可能出現(xiàn)突變，發(fā)出刺耳的“嘭”聲，導(dǎo)致?lián)P聲器損壞，這也是有經(jīng)驗(yàn)的音響發(fā)燒友從不冒險(xiǎn)在帶電狀態(tài)下插拔設(shè)備的原因。

　　為什么上電順序是上電復(fù)位的一部分？

　　上電順序是一個(gè)需要花大量篇幅解釋的課題。幾年前，當(dāng)三端穩(wěn)壓器剛剛進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)在有正、負(fù)電源供電的系統(tǒng)中時(shí)常出現(xiàn)問(wèn)題，如果反極性電壓首先上電，穩(wěn)壓器輸出可能被拉向?qū)Ψ降碾妷?，這樣一來(lái)，幸運(yùn)的話(huà)，穩(wěn)壓器只是不啟動(dòng)，但沒(méi)有損壞；運(yùn)氣不好的話(huà)，電路板會(huì)冒煙，甚至著火。

　　為了防止這種事故的發(fā)生，芯片制造商在應(yīng)用說(shuō)明中建議用戶(hù)增加二極管。后來(lái)，制造商把這一需求納入其設(shè)計(jì)規(guī)范，從而消除了這一問(wèn)題。但是，除非萬(wàn)不得已，有些負(fù)壓穩(wěn)壓器仍然需要增加二極管保護(hù)。

　　啟動(dòng)過(guò)程的奇特現(xiàn)象

　　對(duì)正電壓穩(wěn)壓器

　　幾年前，人們發(fā)現(xiàn)精密的正壓穩(wěn)壓器在輸出端被拉到地電平以下時(shí)將不能啟動(dòng)，該系列穩(wěn)壓器有三種溫度范圍的器件：0 - 70°C、-40°C - 85°C、-55°C - 125°C。出于成本考慮，有些工程師選用0 - 70°C工作范圍的器件。他們知道實(shí)際應(yīng)用中，器件可能在特殊情況下工作在100°C以上。為了確認(rèn)器件能夠保持有效工作，工程師們進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。他們抽出100片器件，將其加熱到135°C進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果顯示這些器件都沒(méi)問(wèn)題。而產(chǎn)品應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)后，卻出現(xiàn)了少量軟故障，其中一臺(tái)發(fā)生故障后又恢復(fù)正常。

　　這臺(tái)故障機(jī)被帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)它在故障狀態(tài)下，電壓基準(zhǔn)的輸出被拉至地電位。如果將器件加熱到105°C，并在輸出端施加一個(gè)負(fù)壓，則有2%-3%的基準(zhǔn)不能啟動(dòng)。顯然，無(wú)論是負(fù)壓還是溫度，都已超出了器件規(guī)范允許的工作范圍。當(dāng)工程師向廠商反映這一器件問(wèn)題時(shí)，廠商對(duì)于器件在高溫下不啟動(dòng)感到很奇怪。

　　電壓基準(zhǔn)

　　電壓基準(zhǔn)是精密的小電流、低溫漂穩(wěn)壓器。圖1中，電壓基準(zhǔn)內(nèi)部運(yùn)放的反相端（反饋節(jié)點(diǎn)）連接到輸出端，齊納管或帶隙基準(zhǔn)頂部的電阻連接在輸入電源，內(nèi)部穩(wěn)壓器或輸出端，電阻也可以電流源形式表示。此時(shí)，您可以想象當(dāng)正電源斷電，而有負(fù)壓施加到輸出節(jié)點(diǎn)的狀況。一旦電源重新上電，電路將無(wú)法在運(yùn)放內(nèi)部建立正確的偏置電壓，內(nèi)部寄生電容仍處于充電狀態(tài)，從而保持電路始終關(guān)斷。

　　圖1. 電壓基準(zhǔn)簡(jiǎn)化圖

　　運(yùn)算放大器

　　圖2所示的運(yùn)放輸入結(jié)構(gòu)畫(huà)出了一個(gè)小電流源。IC內(nèi)部的部分元件與地以及反偏二極管彼此隔離，有些元件由于結(jié)構(gòu)的原因會(huì)產(chǎn)生寄生（無(wú)用的）二極管和三極管。正常情況下，這些寄生元件處于關(guān)閉狀態(tài)，不會(huì)影響電路的正常工作，如果電流源被拉到負(fù)壓，寄生元件就可能被正偏，將器件鉗位在無(wú)法工作的狀態(tài)；有時(shí)，這些寄生元件還會(huì)形成可控硅效應(yīng)，在關(guān)閉電源重新上電之前始終保持導(dǎo)通，情況嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致器件損壞。

　　圖2. 運(yùn)放內(nèi)部部分電路

　　電容

　　在IC內(nèi)部，有些電容用于頻率補(bǔ)償，但也存在無(wú)用的電容效應(yīng)。有些節(jié)點(diǎn)如果被充電至負(fù)壓后，可能沒(méi)有適當(dāng)?shù)碾娏魍穼?duì)其正向充電，恢復(fù)電路功能。

　　輸出電路也必須正確偏置，使上方晶體管導(dǎo)通對(duì)外部電容充電。由于運(yùn)放負(fù)反饋連接在輸出端，需要升高輸出電壓，使電路處于線(xiàn)性工作狀態(tài)。許多IC具有ESD （靜電放電）保護(hù)，通常由二極管和穩(wěn)壓管等構(gòu)成，如圖3所示。

　　圖3. 典型的ESD結(jié)構(gòu)，保護(hù)其它電路