了解和應(yīng)用監(jiān)控 IC，避免低電壓上電時(shí)的毛刺困擾

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

有經(jīng)驗(yàn)的工程師都知道，系統(tǒng)最危險(xiǎn)的時(shí)刻之一是通電的時(shí)候。根據(jù)時(shí)間常數(shù)以及電源軌達(dá)到標(biāo)稱(chēng)值的順利程度和速度，不同的 IC 和系統(tǒng)零件可能會(huì)開(kāi)啟、鎖定或以不正確的模式開(kāi)啟，因?yàn)檫@些器件試圖相互配合工作。面臨的更大挑戰(zhàn)是，上電時(shí)與時(shí)序和壓擺率相關(guān)的 IC 性能可能是溫度、相關(guān)電容器、機(jī)械應(yīng)力、老化和其他因素的函數(shù)。

當(dāng)工作電壓軌下降至較低的個(gè)位數(shù)值時(shí)，就會(huì)加劇潛在的問(wèn)題，從而減少在標(biāo)稱(chēng)電源軌下工作時(shí)的動(dòng)態(tài)余量。所有這些因素都有可能造成開(kāi)啟性能不一致和令人沮喪的調(diào)試過(guò)程。

因此，模擬 IC 供應(yīng)商設(shè)計(jì)出了專(zhuān)用監(jiān)管 IC，以消除上電時(shí)的不確定性和不一致性。本文將定義和描述毛刺問(wèn)題，然后說(shuō)明如何通過(guò)增加 [Analog Devices]的一些小型專(zhuān)用 IC 來(lái)避免毛刺。

什么是毛刺？

與諸如“緩沖器”或“可編程”等許多工程術(shù)語(yǔ)一樣，“毛刺”的具體含義也是視上下文而定的。毛刺可能是：

• 信號(hào)或電源線路上的噪聲引起的尖峰
• 負(fù)載瞬態(tài)導(dǎo)致的突發(fā)性電源軌短暫下降
• 由于柵極驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通/關(guān)斷時(shí)間不同，電橋中的上、下 MOSFET 意外同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的微秒級(jí)時(shí)間段（這種情況非常糟糕）
• 由于時(shí)序容差和組件之間的差異造成的瞬間不確定信號(hào)和競(jìng)爭(zhēng)情況

本文將探討在接通電源、集成電路過(guò)渡到正常工作狀態(tài)的“上電”期間可能出現(xiàn)的毛刺，特別是在低電壓系統(tǒng)中。此類(lèi)上電毛刺特別令人頭疼，因?yàn)樗鼈兛赡軐?dǎo)難以調(diào)試的間歇性問(wèn)題，而且這些問(wèn)題又沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)性或一致性。由于毛刺誘發(fā)條件往往是“在邊緣”，它們的發(fā)生可能隨溫度、電源線容差（雖然仍在規(guī)格范圍內(nèi)）、同一設(shè)備批次中個(gè)別元件的變化以及其他難以確定的因素而發(fā)生變化。

什么是毛刺，來(lái)源于何處？我們來(lái)考慮具有微控制器和相關(guān)監(jiān)控/保護(hù)復(fù)位 IC 的系統(tǒng)，后者的作用簡(jiǎn)單而集中：在上電、掉電和斷電情況下保持系統(tǒng)可靠運(yùn)行（圖 1）。

圖 1：要了解毛刺來(lái)源，首先需要了解簡(jiǎn)單的典型微控制器及其相關(guān)監(jiān)控/保護(hù)復(fù)位 IC 的布局，這兩者都由電池及各自的穩(wěn)壓器供電。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

在典型的電池供電型應(yīng)用中，DC-DC 轉(zhuǎn)換器由小型低壓電池產(chǎn)生電源軌。監(jiān)控 IC 一般置于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和微控制器之間，用于監(jiān)測(cè)電源電壓并啟用或禁用微控制器。

監(jiān)控 IC 通過(guò)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電源，然后斷言微控制器的使能輸入或取消其斷言，以確保運(yùn)行可靠。微控制器的啟用和禁用是通過(guò)監(jiān)控 IC 的復(fù)位輸出引腳管理的。該引腳通常是開(kāi)漏引腳，與一個(gè)10 kΩ 上拉電阻器相連接。該監(jiān)控 IC 可監(jiān)控電源電壓并在輸入電壓低于復(fù)位閾值時(shí)發(fā)出復(fù)位信號(hào)。

在受監(jiān)控電壓升高至其標(biāo)稱(chēng)電壓值的閾值后，復(fù)位輸出在復(fù)位超時(shí)周期內(nèi)保持有效，然后解除。這樣，目標(biāo)微控制器就可擺脫復(fù)位狀態(tài)并開(kāi)始工作。

但是，在監(jiān)控 IC 開(kāi)啟并將復(fù)位線路拉低之前，復(fù)位線路會(huì)發(fā)生什么？我們仔細(xì)觀察典型的上電順序就能找到答案（圖 2）。當(dāng)電源軌 V抄送開(kāi)始上電時(shí)，微控制器和監(jiān)管 IC 都處于斷開(kāi)狀態(tài)。因此，復(fù)位線路處于浮動(dòng)狀態(tài)，10 kΩ 上拉電阻使其電壓跟蹤 V 抄送 。

圖 2：在典型上電序列中，復(fù)位線路處于浮動(dòng)狀態(tài)，所以其電壓可跟蹤電源軌 V抄送的上升情況。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

這種電壓上升可能在 0.5 V 至 0.9 V 之間，且有可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。只要監(jiān)控 IC 啟動(dòng)，復(fù)位線路就被下拉，從而防止微控制器意外啟動(dòng)。這種毛刺是所有前幾代監(jiān)控 IC 的共性問(wèn)題。

低電壓系統(tǒng)將該問(wèn)題放大

隨著在越來(lái)越低的電壓下工作的低功耗設(shè)備日趨增多，這種毛刺也就變成了主要問(wèn)題。我們來(lái)考慮具有 3.3 V、2.5 V 和 1.8 V 三個(gè)邏輯電平的系統(tǒng)（圖 3）。對(duì)于 3.3 V 系統(tǒng)，輸出低壓閾值 (Vol) 和輸入低壓閾值 (Vil) 在 0.4 V 和 0.8 V 之間。如果在 0.9 V 時(shí)出現(xiàn)毛刺，將有可能由于開(kāi)啟和關(guān)閉操作導(dǎo)致處理器變得不穩(wěn)定。

圖 3：邏輯電平從 3.3 V 降至 1.8 V，相關(guān)的電壓閾值也是如此。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

標(biāo)稱(chēng) 1.8 V 系統(tǒng)的情況更為敏感?，F(xiàn)在，Vol 和 Vil 要低得多，分別為 0.45 V 和 0.63 V。在這個(gè)系統(tǒng)中，0.9 V 毛刺代表了更大的百分比，使其有更大的潛在錯(cuò)誤。

毛刺影響了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，這種情況將如何發(fā)展？我們來(lái)考慮一下電源電壓 VDD緩慢上升到 0.9 V，并在該值處保持一小段時(shí)間（圖 4）。雖然這個(gè)電壓不足以開(kāi)啟監(jiān)控 IC，但仍可能開(kāi)啟微控制器，并使其在不穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行。由于在 0.9 V 時(shí)處于不確定狀態(tài)，所以微控制器 RESET 輸入會(huì)將毛刺解釋為邏輯 1 或 0，從而錯(cuò)誤地將其啟用或禁用。

圖 4：當(dāng)電源電壓 VDD上升至 0.9 V 并保持時(shí)，微控制器可能會(huì)不穩(wěn)定地開(kāi)啟和關(guān)斷。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

這將導(dǎo)致微控制器只執(zhí)行部分指令或不能完整地寫(xiě)入存儲(chǔ)器，這僅僅是可能發(fā)生的兩種情況，但可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障和出現(xiàn)災(zāi)難性后果。

解決毛刺問(wèn)題

克服這個(gè)問(wèn)題并不需要恢復(fù)到更高的電壓軌，也不需要采用復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)來(lái)消除毛刺或?qū)⑵溆绊懡档阶畹?。相反，我們需要新一代監(jiān)控 IC，無(wú)論在上電或斷電條件下的電壓水平如何，都可以識(shí)別問(wèn)題的獨(dú)特方面并防止出現(xiàn)毛刺。

實(shí)現(xiàn)這一目的需要采用專(zhuān)有的電路和 IC，如 [MAX16162]，這是一款具有無(wú)毛刺上電功能的毫微功耗電源監(jiān)控器。有了這款采用四凸點(diǎn) WLP 和四引腳 SOT23 封裝的小型 IC，只要 VDD低于閾值電壓，復(fù)位輸出就會(huì)保持低電平，從而防止復(fù)位線路上出現(xiàn)電壓毛刺。一旦達(dá)到電壓閾值并且延遲時(shí)間結(jié)束，復(fù)位輸出就取消斷言并啟用微控制器（圖 5）。

圖 5：只要 VDD低于閾值電壓，MAX16162 就會(huì)保持復(fù)位輸出為低電平，以防復(fù)位線路上出現(xiàn)電壓毛刺。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

不同于傳統(tǒng)監(jiān)控 IC 在 V抄送非常低時(shí)無(wú)法控制復(fù)位輸出狀態(tài)，MAX16162 的復(fù)位輸出保證在達(dá)到有效的 V抄送水平之前一直保持?jǐn)嘌誀顟B(tài)。

[MAX16161]是 MAX16162 的近親，規(guī)格幾乎相同，但存在一個(gè)功能差異且前者對(duì)一些引腳布局進(jìn)行了重新定義（圖 6）。該器件配備了手動(dòng)復(fù)位 (MR) 輸入，會(huì)在接收到適當(dāng)?shù)妮斎胄盘?hào)時(shí)發(fā)出復(fù)位信號(hào)。根據(jù)具體選擇，該信號(hào)可以是低電平有效或高電平有效信號(hào)。相比之下，MAX16162 沒(méi)有 MR 輸入，而是配備獨(dú)立的 V抄送和 V在的引腳，允許閾值電壓低至 0.6 V。

圖 6：MAX16161 和 MAX16162 類(lèi)似，但在功能和引腳方面有個(gè)小區(qū)別：MAX16161 配備 MR 輸入，會(huì)在收到適當(dāng)?shù)妮斎胄盘?hào)時(shí)，發(fā)出復(fù)位信號(hào)，而 MAX16162 則有單獨(dú)的 V抄送和 V在引腳。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

定序器與監(jiān)控器之對(duì)比

另一對(duì)存在一些重疊和歧義的術(shù)語(yǔ)是定序器和監(jiān)控器。監(jiān)控器用來(lái)監(jiān)控單個(gè)電源電壓，并在規(guī)定條件下斷言復(fù)位/釋放復(fù)位。與此相反，定序器用來(lái)協(xié)調(diào)兩個(gè)或多個(gè)電源軌之間的相對(duì)復(fù)位和 “電源良好”斷言。

MAX16161 和 MAX16162 可用作簡(jiǎn)單的電源定序器（圖 7）。在第一個(gè)穩(wěn)壓器的輸出電壓變?yōu)橛行Ш?，MAX16161/MAX16162 會(huì)插入一個(gè)延遲，并在復(fù)位超期后為第二個(gè)穩(wěn)壓器生成使能信號(hào)。由于 MAX16161/MAX16162 在電源電壓變?yōu)檎_值之前永遠(yuǎn)不會(huì)取消復(fù)位，因此受控電源永遠(yuǎn)不會(huì)被錯(cuò)誤地啟用。

圖 7：可以對(duì)使用 MAX16161 的電路進(jìn)行配置，這樣該器件不僅可以確保無(wú)毛刺上電，還可以管理兩個(gè)電源軌之間的電源軌定序。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

也有許多設(shè)計(jì)具有多電源軌和更復(fù)雜的定序要求。此時(shí)，Analog Devices 的 [LTC2928]多通道電源定序器和監(jiān)控器便是一種解決方案（圖 8）。

圖 8：LTC2928 電源定序器管理四個(gè)獨(dú)立電源軌之間的上電和掉電順序，并使用戶能夠控制關(guān)鍵參數(shù)。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

采用這款四通道級(jí)聯(lián)電源定序器和高精度監(jiān)控器，設(shè)計(jì)者只需幾個(gè)外部元件就能配置電源管理定序閾值、順序和時(shí)間。該器件能夠確保電源軌按所需的順序啟用。除了開(kāi)機(jī)定序外，該器件還可以管理互補(bǔ)的、通常同樣關(guān)鍵的斷電定序。

定序輸出用于控制電源使能引腳或 N 溝道傳輸門(mén)。其他監(jiān)控功能包括欠壓和過(guò)壓監(jiān)測(cè)及報(bào)告，以及生成微處理器復(fù)位。報(bào)告故障的類(lèi)型和來(lái)源，用于進(jìn)行診斷。提供單個(gè)通道控制功能，以便獨(dú)立執(zhí)行使能輸出和監(jiān)控功能。對(duì)于具有四個(gè)以上電源軌的系統(tǒng)，可很容易地連接多個(gè) LTC2928，為無(wú)限個(gè)電源定序。

結(jié)語(yǔ)

每個(gè)應(yīng)用中都有毛刺，但到目前為止這些毛刺還沒(méi)有對(duì)占主導(dǎo)地位的高電壓應(yīng)用帶來(lái)嚴(yán)重問(wèn)題?，F(xiàn)在，電源電壓正在走低，系統(tǒng)開(kāi)啟可靠性會(huì)由于 0.9 V 電壓毛刺而會(huì)降低。

如圖所示，設(shè)計(jì)者可以利用較新的監(jiān)管 IC 來(lái)提高可靠性。這種 IC 實(shí)現(xiàn)了無(wú)毛刺運(yùn)行，為低功耗/低電壓應(yīng)用提供最大限度的系統(tǒng)保護(hù)。