了解穩(wěn)壓器和帶隙中的上電復(fù)位要求

自啟動(dòng)是一項(xiàng)必要但有時(shí)很困難的任務(wù)，無論是激勵(lì)人類、啟動(dòng)冷車還是為 IC 提供上電復(fù)位 （POR）。POR 確保系統(tǒng)以已知和安全的狀態(tài)啟動(dòng)。我們將討論這項(xiàng)技術(shù)的幾個(gè)誤應(yīng)用，以及設(shè)計(jì)人員如何避免啟動(dòng)問題。

介紹

自我啟動(dòng)或自我激勵(lì)是招聘銷售和現(xiàn)場應(yīng)用工程師時(shí)要尋找的良好品質(zhì)。另一種自動(dòng)啟動(dòng)器是由查爾斯·凱特林發(fā)明的，用于汽車。最初，汽車需要手搖曲柄來啟動(dòng)汽油（汽油）發(fā)動(dòng)機(jī)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)“適得其反”，它可能會(huì)向后跑一會(huì)兒，摔斷一個(gè)人的手、手腕和手臂的骨頭。

同樣，許多集成電路（IC）在上電時(shí)需要特殊處理。模擬和數(shù)字電路可能需要在啟動(dòng)時(shí)置于可預(yù)測的條件下。為此，我們使用通常稱為上電復(fù)位（POR）電路的電路。

POR確保在上電期間有有序且可預(yù)測的事件序列。例如，在電路中提供偏置電流的電路需要可用且穩(wěn)定，以確保對(duì)電路的正確控制。消費(fèi)者注意到這種情況的一種情況是在立體聲系統(tǒng)中。接通電源后，音頻可以延遲 10 秒左右，以保護(hù)放大器和揚(yáng)聲器免受大爆裂（瞬態(tài)）的影響。為揚(yáng)聲器供電的放大器通常偏置在電源電平的一半。揚(yáng)聲器發(fā)出的靜音是靜態(tài)直流電壓。雖然在上電期間正在建立靜態(tài)偏置電平，但可能會(huì)突然跳躍，從而導(dǎo)致難看的爆裂聲并損壞揚(yáng)聲器。這就是為什么精明的發(fā)燒友永遠(yuǎn)不會(huì)冒著在開機(jī)的情況下插入和拔出設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。

為什么將電源排序作為 POR 的一部分？

電源排序是一個(gè)需要大量解釋的主題。多年前，當(dāng)三端線性穩(wěn)壓器上市時(shí)，在具有正負(fù)電源軌的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)缺陷。如果相反的電壓軌首先出現(xiàn)，穩(wěn)壓器輸出將被拉向相反的電壓軌。充其量，調(diào)節(jié)器不會(huì)啟動(dòng)，最壞的情況是它會(huì)在一縷縷煙霧中燃燒起來。

隨著制造商建議增加二極管以防止這種情況發(fā)生，應(yīng)用筆記蓬勃發(fā)展。很快，制造商將此要求添加到設(shè)計(jì)定義中，這個(gè)問題就不復(fù)存在了。也就是說，除非難以或不可能解決，否則一些負(fù)穩(wěn)壓器仍然需要二極管。

創(chuàng)業(yè)驚喜派對(duì)

帶正電壓調(diào)節(jié)器

幾年前，如果輸出被拉到地電位以下，精密正電壓穩(wěn)壓器被發(fā)現(xiàn)在所有條件下都無法啟動(dòng)。該穩(wěn)壓器系列提供三種溫度范圍的器件：0至+70°C、-40°C至+85°C和-55°C至+125°C。 出于成本原因，一些工程師決定使用0至+70°C范圍。在他們的應(yīng)用中，他們了解到在特殊情況下該部件可能會(huì)超過100°C。由于當(dāng)零件不運(yùn)行時(shí)不太可能這樣做，因此他們繼續(xù)前進(jìn)。

作為勤奮的工程師，他們通過測試100個(gè)零件來檢查他們的概念，同時(shí)將它們加熱到135°C。 他們都過去了。產(chǎn)品投入現(xiàn)場后，他們看到了少量軟故障，其中設(shè)備會(huì)發(fā)生故障，但隨后會(huì)恢復(fù)。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室中的“問題”單元，工程師仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓源的輸出在關(guān)斷狀態(tài)下被拉到地電位以下。他們發(fā)現(xiàn)，如果2%至3%的基準(zhǔn)電壓被加熱到105°C以上，并且輸出端有負(fù)電壓，則2%至3%的基準(zhǔn)電壓將無法啟動(dòng)。這顯然是數(shù)據(jù)手冊(cè)外的用途，無論是負(fù)電壓還是溫度。當(dāng)設(shè)計(jì)師聯(lián)系制造商尋求建議時(shí)，制造商驚訝地發(fā)現(xiàn)零件不僅在熱時(shí)啟動(dòng)。

帶基準(zhǔn)電壓源

基準(zhǔn)電壓源是一種精密、低電流、低溫度系數(shù)穩(wěn)壓器。在圖1中，基準(zhǔn)電壓運(yùn)算放大器的負(fù)輸入（反饋節(jié)點(diǎn)）連接到輸出引腳。埋入式齊納二極管或帶隙上方的電阻頂部可以連接到輸入電源、內(nèi)部功率穩(wěn)壓器或輸出。電阻也可以表示為電流源。現(xiàn)在，假設(shè)正電源關(guān)閉，負(fù)電壓施加到輸出節(jié)點(diǎn)。當(dāng)上電時(shí)，電路可能無法在運(yùn)算放大器中建立適當(dāng)?shù)钠秒妷?，并且一些?nèi)部寄生電容可能會(huì)保持充電狀態(tài)，從而使電路保持關(guān)閉狀態(tài)。

圖1.典型基準(zhǔn)電壓源的簡化圖。

帶運(yùn)算放大器

圖2中的運(yùn)算放大器輸入結(jié)構(gòu)顯示了一個(gè)低電流源。IC內(nèi)部的一些元件通過反向偏置二極管與地和彼此隔離。某些器件具有寄生（未使用的）二極管和晶體管，它們是其結(jié)構(gòu)的一部分。寄生元件在正常使用中偏置，對(duì)操作沒有影響。如果該電流源被拉到負(fù)，寄生元件可能會(huì)正向偏置，從而將器件箝位在非工作狀態(tài)。有時(shí)寄生器件就像三端雙向可控硅一樣，一直保持開啟狀態(tài)，直到電源斷開。在最壞的情況下，這可能會(huì)損壞設(shè)備。

圖2.運(yùn)算放大器內(nèi)部。

帶電容器

在IC內(nèi)部，增加了用于頻率補(bǔ)償?shù)碾娙萜?，以及不需要的雜散電容。這些節(jié)點(diǎn)如果在地電位以下充電，可能沒有可用的電流源來為其提供正電荷并允許電路運(yùn)行。

輸出電路必須偏置以打開頂部晶體管以對(duì)外部電容充電。由于負(fù)運(yùn)算放大器反饋節(jié)點(diǎn)連接到輸出，因此輸出必須上升到線性操作，電路才能正常工作。大多數(shù)IC具有靜電放電（ESD）保護(hù)。這通常由二極管和齊納二極管組成，如圖3所示。

圖3.典型的ESD結(jié)構(gòu)保護(hù)集成電路的其余部分。

有靜電放電問題

ESD保護(hù)是必要的，因?yàn)楦唠妷簳?huì)損壞IC。如果電壓高于IC制造工藝的絕對(duì)最大額定值，有源元件將進(jìn)入齊納模式。然后，隨著電流的增加和元素進(jìn)入雪崩模式，它們最終會(huì)分解，吸收巨大的電流并融合硅。負(fù)方向的電壓大于絕對(duì)最大值也會(huì)消耗過多的電流并損壞IC。

帶隙基準(zhǔn)電壓源

如圖4所示，帶隙基準(zhǔn)電壓源也存在啟動(dòng)問題。帶隙由兩個(gè)具有不同電流的正向偏置半導(dǎo)體組成。一條路徑中的反轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)電流在設(shè)計(jì)點(diǎn)處平衡。一條路徑產(chǎn)生具有負(fù)溫度系數(shù)（tempco）的電壓，另一條路徑產(chǎn)生正溫度系數(shù)。

圖4.常見的帶隙配置。

選擇工作點(diǎn)，以便差值將產(chǎn)生與絕對(duì)溫度（PTAT）成比例的信號(hào)。完美的設(shè)計(jì)不會(huì)有電壓隨溫度的變化。遺憾的是，運(yùn)算放大器將在兩點(diǎn)上保持平衡和穩(wěn)定：設(shè)計(jì)電流和零電流。但是，在零電流下，沒有任何東西可以告訴電路以哪種方式進(jìn)行伺服或校正。

帶隙參考電壓源計(jì)算器有助于設(shè)計(jì)和分析Brokaw帶隙基準(zhǔn)電壓源電路。它計(jì)算所有電路參數(shù)和輸出電壓作為結(jié)溫的函數(shù)。仿真了修整和二階曲率校正的一階效應(yīng)。

解決 POR 問題

圖1中的基準(zhǔn)電壓源之所以有效，是因?yàn)橛幸粋€(gè)單獨(dú)的啟動(dòng)電路，當(dāng)電流為零時(shí)，該電路會(huì)使兩條帶隙路徑中的電流不平衡。它在室溫下工作并在較熱的溫度下失效的事實(shí)證明，啟動(dòng)電路在熱時(shí)“弱”，其中漏電流較高。因此，設(shè)計(jì)人員必須在構(gòu)建太弱（可能無法啟動(dòng)）和太強(qiáng)（影響正常工作）的啟動(dòng)電路之間創(chuàng)建一個(gè)中間地帶。從帶隙開始是一個(gè)難題，該主題有數(shù)十項(xiàng)專利。

在這種情況下，修復(fù)可能非常簡單。假設(shè)泄漏負(fù)電壓的電路無法固定，我們將箝位基準(zhǔn)的輸出。IC內(nèi)部現(xiàn)有的ESD二極管是硅的（圖3），因此它們自然地將負(fù)電壓箝位在0.6V至0.7V（或者可能有兩個(gè)串聯(lián)二極管箝位在1.2V）。在基準(zhǔn)輸出端添加一個(gè)小的肖特基二極管。在正常工作中，二極管將反向偏置并脫離電路。圖5所示的反向漏電流可以忽略不計(jì)，但由于肖特基二極管確實(shí)會(huì)泄漏，因此必須加以考慮。室溫下的正向電壓約為240mV，隨著溫度的升高（在相同的電流下），正向電壓下降，如圖5所示。

圖5.典型的肖特基二極管數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)。

這可能會(huì)解決熱啟動(dòng)問題。要對(duì)其進(jìn)行測試，請(qǐng)找到在給定溫度下失效的基準(zhǔn)電壓源。將基準(zhǔn)電壓源的輸出從烤箱中取出。如果有射頻拾音器，一小段同軸電纜效果很好。一英尺同軸電纜的 20pF 在 DC 不是問題。在基準(zhǔn)電壓關(guān)閉的情況下測量基準(zhǔn)電壓輸出。注意負(fù)電壓（有時(shí)IC內(nèi)部有兩個(gè)ESD二極管串聯(lián)）。假設(shè)它是-1V。接下來，連接一個(gè)硅二極管（如1N4747）將電壓箝位在0.6V。引用是否開始？將兩個(gè)肖特基二極管串聯(lián)（室溫下為0.52V）。引用是否開始？在電路中放置一個(gè)肖特基二極管（室溫下為0.24V）?，F(xiàn)在引用開始了嗎？加熱肖特基或?qū)⑵浞湃肟鞠?- 參考開始嗎？通過逐步嘗試啟動(dòng)限制是了解起始保證金的好方法。

增加肖特基二極管的結(jié)果減少了基準(zhǔn)輸出被拉到地電位以下的量。隨著溫度的升高，肖特基二極管的正向電壓下降，緩解了這個(gè)問題。測試證明，添加肖特基二極管可以保護(hù)基準(zhǔn)電壓源免受負(fù)電壓的影響，并允許其在高溫下啟動(dòng)。

POR以多種方式使用，以確保正常運(yùn)行。例如，Maxim MAX6029基準(zhǔn)電壓源基于帶隙基準(zhǔn)電壓源。此時(shí)，基準(zhǔn)電壓源僅在適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷合路€(wěn)定。正如我們?cè)趲痘鶞?zhǔn)部分所討論的，帶隙將在兩點(diǎn)上平衡并穩(wěn)定：設(shè)計(jì)電流和零電流。這對(duì)于確保器件啟動(dòng)并避免零電流情況是絕對(duì)必要的，因此設(shè)計(jì)人員花費(fèi)大量時(shí)間仿真具有電壓、溫度和工藝變化的電路。在MAX5134四通道16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）中，POR功能將器件初始化為已知條件。MAX5134可以復(fù)位至零或中間電平。根據(jù)應(yīng)用的不同，這是一個(gè)重要的系統(tǒng)安全因素。如果正在控制電機(jī)，如果在通電期間允許隨機(jī)移動(dòng)，則有人可能會(huì)處于危險(xiǎn)之中。該硬件POR獨(dú)立于任何軟件控制，并允許安全操作，直到系統(tǒng)軟件可以接管精確控制。此外，POR工作在MAX5482非易失數(shù)字電位器中。光纖通信和電源等系統(tǒng)需要在最終生產(chǎn)測試期間進(jìn)行校準(zhǔn)。MAX5482允許記憶1024個(gè)不同的抽頭或電壓點(diǎn)之一。POR 會(huì)在電源打開時(shí)自動(dòng)調(diào)用校準(zhǔn)設(shè)置。

結(jié)論

自啟動(dòng)可能很難做到，無論是自啟動(dòng)的人、冷車還是 IC。POR 確保系統(tǒng)以已知和安全的狀態(tài)啟動(dòng)。有時(shí)，IC制造商的工程師可以在客戶以設(shè)計(jì)工程師從未打算過的方式使用零件時(shí)為他們提供幫助。為了獲得最佳結(jié)果，制造商建議遵守?cái)?shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)，原因很明顯：這些是IC設(shè)計(jì)人員用于創(chuàng)建器件的參數(shù)。

審核編輯：郭婷