高可靠性系統(tǒng)中的電源電壓監(jiān)控和排序

本應用筆記重點介紹在高可靠性系統(tǒng)中正確監(jiān)測和排序電壓的必要性。它介紹了選擇監(jiān)控器的關(guān)鍵選擇標準，并解釋了上電復位（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

對于大多數(shù)電子系統(tǒng)，通過上電復位（POR）監(jiān)控系統(tǒng)電壓可確保上電時正確初始化。此外，使用 POR 檢測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，這個問題可能導致?lián)p壞或長期可靠性問題。在大多數(shù)情況下，一個或多個微處理器監(jiān)控器IC可以很容易地執(zhí)行這些排序和監(jiān)控功能。

通過檢測器和上電復位監(jiān)控電壓

監(jiān)視系統(tǒng)電源電壓的一種簡單方法是使用電壓檢測器，即結(jié)合了比較器和內(nèi)部基準的IC。當電源電壓低于電壓檢測器的閾值時，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會備份其內(nèi)存、打開或關(guān)閉電源以及以受控方式關(guān)閉系統(tǒng)。

當電壓檢測器在上電或斷電期間改變狀態(tài)時，其輸出在短暫的傳播延遲后置位。這對于電源故障警告很好。然而，在大多數(shù)情況下，微控制器的復位輸入需要更長的延遲，稱為復位超時;在上電期間，系統(tǒng)時鐘和電源必須穩(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位狀態(tài)釋放。上電復位 （POR） 是微處理器監(jiān)控器 IC 的一種形式，可提供此復位超時，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降至POR門限以下，則當電源電壓恢復到POR門限以上時，也會產(chǎn)生同樣的延遲。上電復位提供幾種不同的固定超時周期和閾值電壓。一些 POR 提供電容可調(diào)超時周期。

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，但給定系統(tǒng)的特定要求將迅速減少設(shè)計人員的選擇數(shù)量。

大多數(shù)監(jiān)控器監(jiān)控標準電壓，如 5V、3.3V、2.5V 和 1.8V。然而，由于各種組件（例如存儲器、PLD、ASIC）具有獨特的電源要求，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，務必選擇電壓低到足以監(jiān)控系統(tǒng)最低電壓的基準電壓源。例如，當采用0.8V、0.9V和1V電源工作時，采用標準1.2V基準的器件將無法工作。

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)在有十個或更多的電壓是常見的。當監(jiān)控大量電壓時，您最終可能會使用多個監(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，因為它們的輸出可以組合在一起以提供單個輸出。圖1所示為連接兩個MAX6710，提供<>個復位信號，同時監(jiān)測<>個電壓。

圖1.兩個具有漏極開路輸出的多電壓監(jiān)控器監(jiān)視<>個電壓，并提供一個復位輸出。

過壓保護電路

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電路。監(jiān)控過壓和欠壓條件的窗口檢測器可以用兩個電壓檢測器和一個基準電壓源構(gòu)成?；蛘?，也可以使用專用的窗口檢測器IC，如MAX6754。第二種類型的電壓保護電路包括一個外部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.當該監(jiān)控電路檢測到過壓情況時，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)斷引腳方便地對電源進行排序。在這種“菊花鏈”方案下，當電源首次啟動時，它會斷言其電源正常（POK）信號（如果有），以通知其他電路其電壓在容差范圍內(nèi)。POK 輸出連接到第二個穩(wěn)壓器的關(guān)斷或使能引腳，并在該穩(wěn)壓器激活時接通該穩(wěn)壓器。圖 3 顯示了此方法。對于需要更長延遲的情況，一些監(jiān)管機構(gòu)包括 POR。后一種布置允許在打開序列中的下一個電源之前有更長的時間延遲。

圖3.具有 POK 輸出的電源提供了一種對其他電源進行排序的便捷方法。

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

POR電路還允許您控制其他上電排序情況。例如，假設(shè)在具有三個電源的系統(tǒng)中，您希望前兩個電源在激活第三個電源之前有效。如果沒有POK輸出的單個穩(wěn)壓器產(chǎn)生前兩個電源，則可以使用雙電壓POR來監(jiān)視其兩個電壓。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電源的時序。要對大量電源進行排序，可以使用多電壓器件。例如，四路電壓檢測器適用于對四個電壓進行排序。此外，具有多個復位輸出和不同延遲的器件可用于對多個電源進行排序。

打開刀路元素

當使用“銀盒”或“磚”電源時，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)閉每個電壓。這些電源提供標準電壓，如 5V、3.3V、2.5V 和 1.8V，這些電壓通常分布在整個系統(tǒng)中。例如，“磚”可以為兩個不同的IC提供3.3V邏輯電源和1.8V內(nèi)核電源。在某些應用中，這些IC需要不同的電源排序;一個器件需要內(nèi)核電源首先上升，而第二個器件需要I/O電源首先上升。

在這種情況下，對電源進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柵極的電壓檢測器，該檢波器打開和關(guān)閉VFCT.當有更高的電壓可用來提供足夠大的柵源電壓以完全增強 MOSFET 時，n 溝道 MOSFET 適用于此應用。但是，如果V，則在此電路上電期間可能會出現(xiàn)問題FCT在 V 之前存在FCT達到足夠高的水平以打開電壓檢測器的輸出。在這種情況下，VFCT將增強MOSFET（即，它將開啟），直到VFCT上升到足以使電壓檢測器的輸出置位低電平。

圖4.如果有更高的電壓可用，電壓檢測器可以通過打開n溝道MOSFET來對低電壓進行排序。

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

一種更簡單、更可靠的多電源供電排序方法，使用MAX6819等器件同時執(zhí)行監(jiān)測和排序功能（見圖5）。這種類型的IC通過復位電路監(jiān)控第一個電壓，以確定它是否在規(guī)格范圍內(nèi);當電壓在規(guī)格范圍內(nèi)時，IC使用其MOSFET驅(qū)動器來接通MOSFET。內(nèi)部電荷泵向次級電源添加固定電壓，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 MOSFET。

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

保證金功能

在許多類型的電信、網(wǎng)絡、存儲和服務器設(shè)備的制造階段，通常使用稱為“裕量”的過程來評估這些系統(tǒng)的穩(wěn)健性和未來可靠性。裕量調(diào)節(jié)涉及對系統(tǒng)（或處理器）的評估，這是通過使電源偏離其標稱電平來執(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)字接口對電源輸出進行編程或調(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級別（例如，±5% 或 ±10%）。裕量控制可以采用更精細的調(diào)整方法，以較小的步長（例如，10mV 或 100mV）遞增或遞減電源。后一種方法允許您更詳細地評估系統(tǒng)性能。

圖6.執(zhí)行電壓裕度調(diào)節(jié)的兩種簡單技術(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可用于更準確地測量這些值。使用微控制器中包含的ADC來實現(xiàn)此功能可能很誘人。但是，當為微控制器供電的電源低于規(guī)格時，其內(nèi)部基準電壓源可能會超出容差，從而影響ADC的精度。此外，在裕量調(diào)節(jié)期間，必須斷開或禁用復位輸出，以便系統(tǒng)可以繼續(xù)運行。否則，系統(tǒng)將復位，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，執(zhí)行這些裕度函數(shù)可能非常乏味。

在單個設(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電壓，一個為內(nèi)核供電，另一個為 I/O 供電。DSP、ASIC、網(wǎng)絡處理器和視頻處理器等其他器件可能需要多達五個電源電壓。在單個系統(tǒng)中，監(jiān)控電路監(jiān)控和排序十個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)量也會增加。成本上升，占用更多的電路板空間。當需要更改電壓閾值或復位超時周期等參數(shù)時，可能需要新器件。此外，更改排序順序成為一項相當艱巨的任務。

降低電路復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)計和制造階段將零件換入和換出設(shè)計的需要。對于其中許多器件，串行接口允許您對配置這些器件并設(shè)置閾值電平和延遲的內(nèi)部寄存器進行編程;板載EEPROM存儲這些寄存器的內(nèi)容。

圖7所示為MAX6870系統(tǒng)管理器件，用于監(jiān)視和排序多個系統(tǒng)電源。當+12V總線電壓上電并超過其門限（存儲在MAX6870內(nèi)）時，MAX6870的一條輸出立即或在延遲周期后（也存儲在MAX5存儲器中）使能+6870V穩(wěn)壓器。+5V穩(wěn)壓器上電且輸出超過相應門限后，+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MAX5增強n溝道調(diào)整元件時，+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。

您通常可以對此類系統(tǒng)管理設(shè)備進行編程，以提供額外的監(jiān)控功能，例如復位電路和看門狗定時器。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)和電源電流檢測讀數(shù)。MAX6870包括一個10位ADC，用于對這些讀數(shù)進行數(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監(jiān)視器均包括一個比較器輸出，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)生這些故障時關(guān)斷一個或多個電源，從而降低+12V電源的負載。

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將其編程為已知狀態(tài)，從而防止系統(tǒng)在此過程中復位。

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)備解決了當今系統(tǒng)設(shè)計人員所面臨的復雜性。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)計時間。

審核編輯：郭婷