高可靠性系統(tǒng)中的電源電壓監(jiān)控和排序

本應(yīng)用筆記重點(diǎn)介紹在高可靠性系統(tǒng)中正確監(jiān)測(cè)和排序電壓的必要性。它介紹了選擇監(jiān)控器的關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)，并解釋了上電復(fù)位（POR）電路、多電壓監(jiān)控和裕量調(diào)節(jié)的必要性。討論了系統(tǒng)管理電路。

介紹

對(duì)于大多數(shù)電子系統(tǒng)，通過上電復(fù)位（POR）監(jiān)控系統(tǒng)電壓可確保上電時(shí)正確初始化。此外，使用 POR 檢測(cè)掉電條件可最大限度地減少可能損壞內(nèi)存或?qū)е孪到y(tǒng)執(zhí)行不正常的代碼執(zhí)行問題。為了提高高端系統(tǒng)的可靠性，通常需要按正確的順序?qū)ο到y(tǒng)的電源進(jìn)行排序，以防止系統(tǒng)的微控制器、微處理器、DSP或ASIC閂鎖，這個(gè)問題可能導(dǎo)致?lián)p壞或長(zhǎng)期可靠性問題。在大多數(shù)情況下，一個(gè)或多個(gè)微處理器監(jiān)控器IC可以很容易地執(zhí)行這些排序和監(jiān)控功能。

通過檢測(cè)器和上電復(fù)位監(jiān)控電壓

監(jiān)視系統(tǒng)電源電壓的一種簡(jiǎn)單方法是使用電壓檢測(cè)器，即結(jié)合了比較器和內(nèi)部基準(zhǔn)的IC。當(dāng)電源電壓低于電壓檢測(cè)器的閾值時(shí)，其輸出將置位，通知系統(tǒng)的微控制器即將發(fā)生電源故障。此警告使微控制器有機(jī)會(huì)備份其內(nèi)存、打開或關(guān)閉電源以及以受控方式關(guān)閉系統(tǒng)。

當(dāng)電壓檢測(cè)器在上電或斷電期間改變狀態(tài)時(shí)，其輸出在短暫的傳播延遲后置位。這對(duì)于電源故障警告很好。然而，在大多數(shù)情況下，微控制器的復(fù)位輸入需要更長(zhǎng)的延遲，稱為復(fù)位超時(shí);在上電期間，系統(tǒng)時(shí)鐘和電源必須穩(wěn)定，處理器的寄存器必須初始化，然后才能將微控制器從復(fù)位狀態(tài)釋放。上電復(fù)位 （POR） 是微處理器監(jiān)控器 IC 的一種形式，可提供此復(fù)位超時(shí)，以便系統(tǒng)可以在允許微控制器工作之前完全初始化。此外，如果電源電壓在上電后暫時(shí)降至POR門限以下，則當(dāng)電源電壓恢復(fù)到POR門限以上時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生同樣的延遲。上電復(fù)位提供幾種不同的固定超時(shí)周期和閾值電壓。一些 POR 提供電容可調(diào)超時(shí)周期。

監(jiān)控多電壓系統(tǒng)

大多數(shù)系統(tǒng)監(jiān)視3.3V I/O邏輯電源。對(duì)于需要更高可靠性的系統(tǒng)，可能需要監(jiān)視其他電源，例如為內(nèi)核和內(nèi)存供電的電源。許多多電壓微處理器監(jiān)控器可以執(zhí)行此任務(wù)，但給定系統(tǒng)的特定要求將迅速減少設(shè)計(jì)人員的選擇數(shù)量。

大多數(shù)監(jiān)控器監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)電壓，如 5V、3.3V、2.5V 和 1.8V。然而，由于各種組件（例如存儲(chǔ)器、PLD、ASIC）具有獨(dú)特的電源要求，因此通常需要監(jiān)控額外的電壓。因此，您必須決定是使用不需要外部電阻的固定閾值器件，還是使用更靈活的可調(diào)閾值器件（根據(jù)需要適應(yīng)變化但需要外部電阻器）。具有固定閾值和可調(diào)閾值組合的器件可以提供最佳解決方案。選擇器件時(shí)，務(wù)必選擇電壓低到足以監(jiān)控系統(tǒng)最低電壓的基準(zhǔn)電壓源。例如，當(dāng)采用0.8V、0.9V和1V電源工作時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)1.2V基準(zhǔn)的器件將無法工作。

近年來，高可靠性系統(tǒng)中存在的電源電壓數(shù)量有所增加;現(xiàn)在有十個(gè)或更多的電壓是常見的。當(dāng)監(jiān)控大量電壓時(shí)，您最終可能會(huì)使用多個(gè)監(jiān)控器設(shè)備。在這些情況下，具有漏極開路輸出的多電壓監(jiān)控器通常具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兊妮敵隹梢越M合在一起以提供單個(gè)輸出。圖1所示為連接兩個(gè)MAX6710，提供<>個(gè)復(fù)位信號(hào)，同時(shí)監(jiān)測(cè)<>個(gè)電壓。

圖1.兩個(gè)具有漏極開路輸出的多電壓監(jiān)控器監(jiān)視<>個(gè)電壓，并提供一個(gè)復(fù)位輸出。

過壓保護(hù)電路

必須監(jiān)視某些電源的欠壓和過壓情況。在許多系統(tǒng)中，過壓監(jiān)控已成為必要的，以防止損壞昂貴的處理器和ASIC。通常使用兩種類型的過壓保護(hù)電路。監(jiān)控過壓和欠壓條件的窗口檢測(cè)器可以用兩個(gè)電壓檢測(cè)器和一個(gè)基準(zhǔn)電壓源構(gòu)成?；蛘?，也可以使用專用的窗口檢測(cè)器IC，如MAX6754。第二種類型的電壓保護(hù)電路包括一個(gè)外部p溝道MOSFET，如果電源電壓超過指定電平，該MOSFET將關(guān)斷電源。參見圖2。

圖2.當(dāng)該監(jiān)控電路檢測(cè)到過壓情況時(shí)，p溝道MOSFET斷開電源連接。

排序電源

您可以使用 DC-DC 電源穩(wěn)壓器的使能或關(guān)斷引腳方便地對(duì)電源進(jìn)行排序。在這種“菊花鏈”方案下，當(dāng)電源首次啟動(dòng)時(shí)，它會(huì)斷言其電源正常（POK）信號(hào)（如果有），以通知其他電路其電壓在容差范圍內(nèi)。POK 輸出連接到第二個(gè)穩(wěn)壓器的關(guān)斷或使能引腳，并在該穩(wěn)壓器激活時(shí)接通該穩(wěn)壓器。圖 3 顯示了此方法。對(duì)于需要更長(zhǎng)延遲的情況，一些監(jiān)管機(jī)構(gòu)包括 POR。后一種布置允許在打開序列中的下一個(gè)電源之前有更長(zhǎng)的時(shí)間延遲。

圖3.具有 POK 輸出的電源提供了一種對(duì)其他電源進(jìn)行排序的便捷方法。

當(dāng) POK 信號(hào)不可用時(shí)，您可以使用電壓檢測(cè)器或 POR 監(jiān)控電源的輸出。 只需將檢波器或 POR 輸出連接到第二個(gè)電源的關(guān)斷或使能輸入即可。當(dāng)監(jiān)控電壓超過特定閾值時(shí)，第二個(gè)電源接通。當(dāng)與高噪聲電源一起使用時(shí)，電壓檢測(cè)器可能會(huì)不必要地多次打開和關(guān)閉穩(wěn)壓器，特別是當(dāng)監(jiān)控電壓電平接近其跳變閾值時(shí)。在這些情況下，POR電路可以將這種影響降至最低，這是POR超時(shí)周期的一個(gè)好處。當(dāng)監(jiān)控電壓低于監(jiān)控器門限時(shí)，POR的輸出置位并保持置位狀態(tài)，至少在監(jiān)控電壓返回閾值以上的最小復(fù)位超時(shí)周期內(nèi)保持置位狀態(tài)。在超時(shí)期間，電壓必須持續(xù)高于復(fù)位閾值，監(jiān)控器才能解除置位，從而防止電源反復(fù)循環(huán)。使用 POR 生成關(guān)斷或使能引腳信號(hào)還允許您控制導(dǎo)通時(shí)間;POR 具有從幾微秒到超過一秒的重置超時(shí)。此外，電容可調(diào)POR允許您更改給定設(shè)備的超時(shí)周期。

POR電路還允許您控制其他上電排序情況。例如，假設(shè)在具有三個(gè)電源的系統(tǒng)中，您希望前兩個(gè)電源在激活第三個(gè)電源之前有效。如果沒有POK輸出的單個(gè)穩(wěn)壓器產(chǎn)生前兩個(gè)電源，則可以使用雙電壓POR來監(jiān)視其兩個(gè)電壓。然后，該 POR 的輸出通過饋送其使能或關(guān)斷引腳來控制第三個(gè)電源的時(shí)序。要對(duì)大量電源進(jìn)行排序，可以使用多電壓器件。例如，四路電壓檢測(cè)器適用于對(duì)四個(gè)電壓進(jìn)行排序。此外，具有多個(gè)復(fù)位輸出和不同延遲的器件可用于對(duì)多個(gè)電源進(jìn)行排序。

打開刀路元素

當(dāng)使用“銀盒”或“磚”電源時(shí)，如果沒有額外的電路，并不總是能夠以受控順序打開和關(guān)閉每個(gè)電壓。這些電源提供標(biāo)準(zhǔn)電壓，如 5V、3.3V、2.5V 和 1.8V，這些電壓通常分布在整個(gè)系統(tǒng)中。例如，“磚”可以為兩個(gè)不同的IC提供3.3V邏輯電源和1.8V內(nèi)核電源。在某些應(yīng)用中，這些IC需要不同的電源排序;一個(gè)器件需要內(nèi)核電源首先上升，而第二個(gè)器件需要I/O電源首先上升。

在這種情況下，對(duì)電源進(jìn)行排序的一種方法是通過外部調(diào)整元件切換電源。圖4顯示了連接到MOSFET柵極的電壓檢測(cè)器，該檢波器打開和關(guān)閉VFCT.當(dāng)有更高的電壓可用來提供足夠大的柵源電壓以完全增強(qiáng) MOSFET 時(shí)，n 溝道 MOSFET 適用于此應(yīng)用。但是，如果V，則在此電路上電期間可能會(huì)出現(xiàn)問題FCT在 V 之前存在FCT達(dá)到足夠高的水平以打開電壓檢測(cè)器的輸出。在這種情況下，VFCT將增強(qiáng)MOSFET（即，它將開啟），直到VFCT上升到足以使電壓檢測(cè)器的輸出置位低電平。

圖4.如果有更高的電壓可用，電壓檢測(cè)器可以通過打開n溝道MOSFET來對(duì)低電壓進(jìn)行排序。

這種相同類型的電路可以通過電壓檢測(cè)器和p溝道MOSFET來實(shí)現(xiàn)，而無需第二個(gè)更高的電壓。然而，該電路不適合低壓電源，p溝道MOSFET的較高導(dǎo)通電阻使其不適用于高功率應(yīng)用。

一種更簡(jiǎn)單、更可靠的多電源供電排序方法，使用MAX6819等器件同時(shí)執(zhí)行監(jiān)測(cè)和排序功能（見圖5）。這種類型的IC通過復(fù)位電路監(jiān)控第一個(gè)電壓，以確定它是否在規(guī)格范圍內(nèi);當(dāng)電壓在規(guī)格范圍內(nèi)時(shí)，IC使用其MOSFET驅(qū)動(dòng)器來接通MOSFET。內(nèi)部電荷泵向次級(jí)電源添加固定電壓，所得電壓施加到 MOSFET 的柵極，這有助于確保柵源電壓足夠高以充分增強(qiáng) MOSFET。

圖5.主電源上電后，MAX6819接通副電源。MAX6819的板載電荷泵增強(qiáng)了MOSFET，使其導(dǎo)通電阻最小化。

保證金功能

在許多類型的電信、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和服務(wù)器設(shè)備的制造階段，通常使用稱為“裕量”的過程來評(píng)估這些系統(tǒng)的穩(wěn)健性和未來可靠性。裕量調(diào)節(jié)涉及對(duì)系統(tǒng)（或處理器）的評(píng)估，這是通過使電源偏離其標(biāo)稱電平來執(zhí)行的。為了改變這些電平，DC-DC轉(zhuǎn)換器電源通常通過使用數(shù)字電位器或電流DAC改變其反饋環(huán)路來調(diào)整。圖6描述了為電源裕量調(diào)節(jié)的多種方法中的兩種。其他常用方法包括通過數(shù)字接口對(duì)電源輸出進(jìn)行編程或調(diào)整電源。不同程度的裕量控制包括“通過/失敗”方法，您可以在其中將所有電源增加或減少到某個(gè)級(jí)別（例如，±5% 或 ±10%）。裕量控制可以采用更精細(xì)的調(diào)整方法，以較小的步長(zhǎng)（例如，10mV 或 100mV）遞增或遞減電源。后一種方法允許您更詳細(xì)地評(píng)估系統(tǒng)性能。

圖6.執(zhí)行電壓裕度調(diào)節(jié)的兩種簡(jiǎn)單技術(shù)包括將數(shù)字電位器或電流DAC添加到DC-DC轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)路。

ADC可用于更準(zhǔn)確地測(cè)量這些值。使用微控制器中包含的ADC來實(shí)現(xiàn)此功能可能很誘人。但是，當(dāng)為微控制器供電的電源低于規(guī)格時(shí)，其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源可能會(huì)超出容差，從而影響ADC的精度。此外，在裕量調(diào)節(jié)期間，必須斷開或禁用復(fù)位輸出，以便系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行。否則，系統(tǒng)將復(fù)位，從而無法發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)生故障的電源電壓電平。在使用大型系統(tǒng)時(shí)，執(zhí)行這些裕度函數(shù)可能非常乏味。

在單個(gè)設(shè)備中結(jié)合監(jiān)控、排序和裕量調(diào)節(jié)

許多處理器只需要兩個(gè)電壓，一個(gè)為內(nèi)核供電，另一個(gè)為 I/O 供電。DSP、ASIC、網(wǎng)絡(luò)處理器和視頻處理器等其他器件可能需要多達(dá)五個(gè)電源電壓。在單個(gè)系統(tǒng)中，監(jiān)控電路監(jiān)控和排序十個(gè)以上的電壓的情況并不少見。隨著這些系統(tǒng)中電源電壓數(shù)量的不斷增加，監(jiān)控、排序和裕量所需的IC數(shù)量也會(huì)增加。成本上升，占用更多的電路板空間。當(dāng)需要更改電壓閾值或復(fù)位超時(shí)周期等參數(shù)時(shí)，可能需要新器件。此外，更改排序順序成為一項(xiàng)相當(dāng)艱巨的任務(wù)。

降低電路復(fù)雜度的一種方法是使用結(jié)合了監(jiān)控和排序功能的可編程系統(tǒng)管理IC。這些器件具有可編程性，使更改易于處理。這些電路消除了在原型設(shè)計(jì)和制造階段將零件換入和換出設(shè)計(jì)的需要。對(duì)于其中許多器件，串行接口允許您對(duì)配置這些器件并設(shè)置閾值電平和延遲的內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程;板載EEPROM存儲(chǔ)這些寄存器的內(nèi)容。

圖7所示為MAX6870系統(tǒng)管理器件，用于監(jiān)視和排序多個(gè)系統(tǒng)電源。當(dāng)+12V總線電壓上電并超過其門限（存儲(chǔ)在MAX6870內(nèi)）時(shí)，MAX6870的一條輸出立即或在延遲周期后（也存儲(chǔ)在MAX5存儲(chǔ)器中）使能+6870V穩(wěn)壓器。+5V穩(wěn)壓器上電且輸出超過相應(yīng)門限后，+3.3V電源退出關(guān)斷狀態(tài)。其余電源在相同方案下相繼上電，但當(dāng)MAX5增強(qiáng)n溝道調(diào)整元件時(shí)，+6870V開關(guān)電源變?yōu)榭捎谩?/p>

圖7.可編程系統(tǒng)管理器件為電壓監(jiān)控和排序提供了一種靈活的方法。

您通?？梢詫?duì)此類系統(tǒng)管理設(shè)備進(jìn)行編程，以提供額外的監(jiān)控功能，例如復(fù)位電路和看門狗定時(shí)器。這些器件還可以通過其模擬和數(shù)字輸入監(jiān)控電源電壓以外的參數(shù)。在圖7電路中，AUXIN_（模擬輸入）和GPI_（數(shù)字輸入）監(jiān)視溫度讀數(shù)和電源電流檢測(cè)讀數(shù)。MAX6870包括一個(gè)10位ADC，用于對(duì)這些讀數(shù)進(jìn)行數(shù)字化處理;微控制器監(jiān)控這些數(shù)字化讀數(shù)的狀態(tài)。溫度傳感器和電流檢測(cè)監(jiān)視器均包括一個(gè)比較器輸出，用于指示故障發(fā)生（即溫度或電流超過特定限值）。每路比較器輸出連接至MAX6870通用輸入（GPI）。MAX6870可以配置為在發(fā)生這些故障時(shí)關(guān)斷一個(gè)或多個(gè)電源，從而降低+12V電源的負(fù)載。

內(nèi)部 ADC 可輕松精確地調(diào)節(jié)電源。在裕量調(diào)節(jié)過程中，可以從ADC寄存器讀取每個(gè)電源輸出端的電壓。此外，裕量輸入可以禁用輸出或在電源裕量化時(shí)將其編程為已知狀態(tài)，從而防止系統(tǒng)在此過程中復(fù)位。

結(jié)論

在高端系統(tǒng)中，有許多方法可以監(jiān)控、排序和裕量電壓。新一代系統(tǒng)管理設(shè)備解決了當(dāng)今系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所面臨的復(fù)雜性。全新、完全集成的器件提供了傳統(tǒng)解決方案的替代方案，并在單個(gè)器件中提供了更大的靈活性和功能，從而節(jié)省了電路板空間、成本和設(shè)計(jì)時(shí)間。

審核編輯：郭婷