做好自啟動不容易，理解穩(wěn)壓器和帶隙基準的上電復位需求 - 全文

　　自啟動是必需的，但有時卻難以實現(xiàn)，無論是激發(fā)人體，還是冷啟動汽車，或者是給IC提供POR（上電復位），都會面臨這樣的問題。POR可以確保系統(tǒng)在已知的安全狀態(tài)下啟動。在此，我們將討論幾種誤用這一技術的情形，幫助設計者避免啟動問題。

　　引言

　　公司招聘銷售人員和現(xiàn)場應用工程師時，積極主動是這些人員必備的良好素質；Charles Kettering發(fā)明的自動檔汽車則是“主動性”的另一種表現(xiàn)形式，老式汽車都需要手動檔啟動汽油發(fā)動機。

　　同樣，許多IC（集成電路）在上電時也需要一個處理過程。啟動時，模擬電路和數(shù)字電路需要進入一個預定狀態(tài)，為此，我們采用稱之為POR （上電復位）的電路。

　　POR確保上電時按照預定順序有序執(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)是一個眾所周知的例子，接通電源后，可能會延遲10秒鐘左右播放音頻信號，以避免功放和揚聲器受到開機瞬間浪涌電流的沖擊。典型情況下，驅動揚聲器的功放偏置在電源擺幅的一半，靜態(tài)狀態(tài)下，揚聲器信號為直流電壓。如果上電時就建立靜態(tài)偏置，則可能出現(xiàn)突變，發(fā)出刺耳的“嘭”聲，導致?lián)P聲器損壞，這也是有經(jīng)驗的音響發(fā)燒友從不冒險在帶電狀態(tài)下插拔設備的原因。

　　為什么上電順序是上電復位的一部分？

　　上電順序是一個需要花大量篇幅解釋的課題。幾年前，當三端穩(wěn)壓器剛剛進入市場時，人們發(fā)現(xiàn)在有正、負電源供電的系統(tǒng)中時常出現(xiàn)問題，如果反極性電壓首先上電，穩(wěn)壓器輸出可能被拉向對方的電壓，這樣一來，幸運的話，穩(wěn)壓器只是不啟動，但沒有損壞；運氣不好的話，電路板會冒煙，甚至著火。

　　為了防止這種事故的發(fā)生，芯片制造商在應用說明中建議用戶增加二極管。后來，制造商把這一需求納入其設計規(guī)范，從而消除了這一問題。但是，除非萬不得已，有些負壓穩(wěn)壓器仍然需要增加二極管保護。

　　啟動過程的奇特現(xiàn)象

　　對正電壓穩(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將不能啟動，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。他們知道實際應用中，器件可能在特殊情況下工作在100°C以上。為了確認器件能夠保持有效工作，工程師們進行了相關測試。他們抽出100片器件，將其加熱到135°C進行驗證，測試結果顯示這些器件都沒問題。而產(chǎn)品應用到現(xiàn)場后，卻出現(xiàn)了少量軟故障，其中一臺發(fā)生故障后又恢復正常。

　　這臺故障機被帶回實驗室，經(jīng)過仔細檢查，發(fā)現(xiàn)它在故障狀態(tài)下，電壓基準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負壓，則有2%-3%的基準不能啟動。顯然，無論是負壓還是溫度，都已超出了器件規(guī)范允許的工作范圍。當工程師向廠商反映這一器件問題時，廠商對于器件在高溫下不啟動感到很奇怪。

　　電壓基準

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

　　圖1. 電壓基準簡化圖

　　運算放大器

　　圖2所示的運放輸入結構畫出了一個小電流源。IC內部的部分元件與地以及反偏二極管彼此隔離，有些元件由于結構的原因會產(chǎn)生寄生（無用的）二極管和三極管。正常情況下，這些寄生元件處于關閉狀態(tài)，不會影響電路的正常工作，如果電流源被拉到負壓，寄生元件就可能被正偏，將器件鉗位在無法工作的狀態(tài)；有時，這些寄生元件還會形成可控硅效應，在關閉電源重新上電之前始終保持導通，情況嚴重時，還會導致器件損壞。

　　圖2. 運放內部部分電路

　　電容

　　在IC內部，有些電容用于頻率補償，但也存在無用的電容效應。有些節(jié)點如果被充電至負壓后，可能沒有適當?shù)碾娏魍穼ζ湔虺潆?，恢復電路功能?/p>

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

　　圖3. 典型的ESD結構，保護其它電路

　　ESD保護問題

　　因為高壓會損壞IC，必須提供必要的ESD保護。如果電壓超過IC制造工藝允許的上限，有源器件將進入齊納模式。器件擊穿后，電流將快速上升，進入雪崩模式，產(chǎn)生大電流并導致硅片融化。負壓過大時，同樣會導致大電流并損壞IC。

　　帶隙基準

　　帶隙基準如圖4所示，通常也會存在啟動問題。帶隙由兩個正向偏置、具有不同電流的晶體管組成，某一路電流變化時，將引起兩路電流在工作點重新均衡，其中一路為負溫度系數(shù)，另一路為正溫度系數(shù)。

　　圖4. 常用帶隙結構

　　選擇適當?shù)墓ぷ鼽c，使得所產(chǎn)生的信號差與絕對溫度成比例（PTAT）。理想的設計目標是確保輸出電壓不隨溫度變化。遺憾的是，運放有兩個穩(wěn)定的平衡點：設置電流和零電流，而且，在零電流點，電路無法確定如何恢復或修正。

　　帶隙基準計算器有助于設計、分析Brokaw帶隙基準電路。它可以計算所有電路參數(shù)以及輸出電壓與結溫的函數(shù)關系，可以仿真一階調整效果和二階修正曲線，該免費工具可以從網(wǎng)站www.maxim-ic.com/tools/calculators/hp50g下載，其可以運行在HP? 50g計算器上，或提供計算器仿真的PC上。

　　解決上電復位問題

　　圖1所示電壓基準能夠正常工作，因為它有單獨的啟動電路，可以在兩路帶隙電流為零時打破平衡。不過，實踐證明，它能夠確保正常工作在室溫，而在高溫下可能出現(xiàn)失效，由此可見，啟動電路在高溫、漏電流變大時非常脆弱，設計者必須在使用弱啟動電路（可能不啟動）和強啟動電路（可能影響正常操作）之間進行權衡。有關帶隙啟動的課題涉及到很多專利技術。

　　本處需要解決的問題相對比較簡單，假設負壓漏電流處理不當，我們會對基準輸出進行鉗位。IC內部的ESD二極管為硅二極管（圖3），它們會自然把負壓鉗位在0.6V至0.7V（也可能是兩個二極管串聯(lián)，鉗位在1.2V）?？梢栽诨鶞瘦敵龆嗽黾右粋€小的肖特基二極管，正常工作時，二極管反偏，對電路沒有影響，考慮到肖特基二極管會有泄漏。室溫下，其正向壓降約240mV，隨著溫度上升（同樣電流條件），其正向導通電壓下降，如圖5所示。

　　圖5. 肖特基二極管典型特性

　　由此，可基本解決熱啟動問題，需要測試時，可以找一個在特定溫度下失效的電壓基準，把電壓基準的輸出引到烘箱外面，如有射頻干擾，可以采用一小段同軸電纜引出。20pF的電纜電容不會影響直流。測量失效電壓基準的輸出，請注意可能出現(xiàn)負壓（有時IC內部會有兩個串聯(lián)的ESD二極管），假設是-1V。然后，連接一個硅二極管（如1N4747）把電壓鉗位在0.6V，重新查看基準是否啟動，再用兩個串聯(lián)的肖特基管（室溫下壓降約0.52V），查看基準是否啟動。只接入一個肖特基二極管（0.24V）時，查看基準是否啟動。把肖特基管加熱或放入烘箱中——基準是否啟動？通過逐步試驗啟動門限，可以了解啟動裕量。

　　加上肖特基二極管可以減輕基準輸出被拉至負壓的程度，隨著溫度上升，肖特基二極管正向導通電壓變小，減輕了這一問題。測試證明，增加肖特基二極管后，可以防止負壓對電壓基準的影響，使之可以在高溫下啟動。

　　POR（上電復位）有幾種方式確保正常工作。例如，Maxim的MAX6029電壓基準基于帶隙基準單元，該基準必須在正確的工作電壓下才能穩(wěn)定。正如我們在帶隙基準部分所述，帶隙基準會在兩個工作點達到平衡并穩(wěn)定：設計電流和零電流。確保器件啟動并避免進入零電流狀態(tài)是必不可少的條件，設計者要花大量時間就電壓、溫度和工藝等變化進行電路仿真。MAX5134是4路16位模/數(shù)轉換器（DAC），其POR電路將器件初始化到已知狀態(tài)，MAX5134可以復位到零或中間值。針對不同應用，這會是一個很重要的系統(tǒng)安全因素。對于受控馬達，如果上電過程中隨意變動，有可能對人身造成傷害。由于硬件POR電路獨立于任何軟件控制，必須在系統(tǒng)軟件接管操作之前確保安全工作。另外，POR也應用在非易失數(shù)字電位器MAX5482中，光纖通信、電源等系統(tǒng)需要在最終產(chǎn)品測試中進行校準，MAX5428可以記住1024個位置或電壓值之一，POR確保上電時自動讀出校準值。

　　結論

　　確保自啟動在任何條件下正常工作將面臨許多設計挑戰(zhàn)，對于IC，POR可以保證系統(tǒng)進入確定的安全狀態(tài)。有時，如果客戶的應用場合超出了IC的工作范圍，可以向IC制造商的工程師尋求幫助；但建議用戶最好按照制造商文檔中的條件限制使用，理由很明顯，因為IC設計時就是按照這些參數(shù)構建的。