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作者：Scot Lester,，Texas Instruments
市場趨勢使得數(shù)字信號處理器 (DSP),、微處理器及現(xiàn)場可程序門陣列 (FPGA) 制造商不斷提高時(shí)脈頻率以達(dá)到更高效能，同時(shí)也需要降低功耗,，這兩個相斥的條件造就了多重電軌裝置的開發(fā),。一般多重電軌裝置會有一個 I/O 電壓，其功能為輸入及輸出供電,，例如驅(qū)動系統(tǒng)總線,，與既有邏輯設(shè)備進(jìn)行通訊或點(diǎn)亮 LED。I/O 電壓通常為 3.3V 或 5.0V,，是電路板上較高的電壓之一,。一個或多個較低的核心電壓會用來驅(qū)動裝置內(nèi)的高頻率邏輯。低核心電壓允許邏輯迅速切換,，同時(shí)可減少耗電,，因?yàn)橄噍^于較高電壓，它能夠降低切換耗損,。
這些高效能多重電壓裝置需要核心電壓的緊密公差 (tight tolerance),，才能使內(nèi)部邏輯正確運(yùn)作，并恰當(dāng)執(zhí)行軟件程序代碼。此外,，在多重電壓裝置中,，一般都有通電電壓排序需求，藉以避免在通電及斷電時(shí)造成鎖定與裝置損壞,。電壓監(jiān)測裝器可用于這類高效能裝置,，以確保在不同的電源條件下順利啟動及執(zhí)行程序代碼。
在最簡單的形式中,，電壓監(jiān)測裝置包含電壓偵測電路,，這會觸發(fā)定時(shí)器重設(shè)輸出訊號。不論是電壓監(jiān)測裝置或定時(shí)器,，內(nèi)部都能夠使用數(shù)字或模擬電子裝置,。圖 1 顯示了一個典型的電壓監(jiān)測電路。電壓偵測電路是帶有遲滯的比較器,。需監(jiān)視的電壓一般會透過外部電阻分配器加以劃分,，并且與參考電壓相比較。監(jiān)測裝置通電時(shí),，/RESET 輸出會下降,。當(dāng)劃分的 SENSE 電壓超過參考電壓時(shí)，會觸發(fā)可重復(fù)觸發(fā)的單次定時(shí)器,。該定時(shí)器會在一段固定的時(shí)間內(nèi)將 /RESET 訊號降低,，并且將適當(dāng)?shù)?RESET 訊號發(fā)送給 DSP、微處理器,、FPGA 或其他的復(fù)雜邏輯設(shè)備,。
圖 1. 模擬電壓監(jiān)測裝置
除了單純監(jiān)視電軌之外，某些監(jiān)測裝置也使用監(jiān)控定時(shí)器 (WDT) 來監(jiān)視 DSP 或微處理器程序代碼的執(zhí)行,。監(jiān)控定時(shí)器是一種特殊的計(jì)時(shí)裝置,，如果 DSP 或微處理器無法定期重設(shè) WDT，便會觸發(fā)系統(tǒng)重設(shè),。圖 2 顯示的是具有電壓監(jiān)視器及監(jiān)控定時(shí)器的監(jiān)測裝置,。一般而言，DSP 或微處理器輸出接腳可用來驅(qū)動監(jiān)測裝置的監(jiān)控輸入,。DSP 必須定時(shí)變更輸出的邏輯狀態(tài),，以產(chǎn)生脈沖序列。監(jiān)控定時(shí)器會監(jiān)視此脈沖序列,。如果軟件進(jìn)入無限循環(huán)或中止程序,，導(dǎo)致 DSP 停止產(chǎn)生脈沖序列，則監(jiān)控定時(shí)器會逾時(shí),，而發(fā)出重設(shè)訊號來重新啟動 DSP,，并能從任何軟件錯誤中恢復(fù),。從停止脈沖到重設(shè)的時(shí)間長度是由組成 WDT 電路的震蕩器及計(jì)數(shù)器所決定的，并且須視裝置而定,。WDT 時(shí)間一般是 0.5 秒至 2 秒。
圖 2. 具有電壓監(jiān)視及監(jiān)控定時(shí)器的監(jiān)測裝置
透過數(shù)字方式也能夠使用相同的監(jiān)測裝置功能,。圖 3 顯示使用數(shù)字電路采用的相同電壓監(jiān)測裝置,。對于數(shù)字監(jiān)測裝置，仍然會劃分出需要監(jiān)視的電壓,，以提供模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC) 輸入范圍內(nèi)的偵測電壓 (SENSE),。接著 ADC 會將 SENSE 電壓轉(zhuǎn)換為微處理器可辨識的數(shù)字訊號。微處理器的 I/O 接腳可用來驅(qū)動開汲極 MOSFET,，以提供重設(shè)訊號,。數(shù)字監(jiān)測裝置可提供模擬監(jiān)測裝置所沒有的功能。
圖 3. 數(shù)字電壓監(jiān)測裝置
數(shù)字監(jiān)測裝置含有微處理器,，因此功能與靈活性都比模擬監(jiān)測裝置好,。某些數(shù)字監(jiān)測裝置提供序列信道，能夠與其他電源管理裝置或主要的微處理器進(jìn)行通訊,。關(guān)鍵參數(shù)及配置信息可儲存于監(jiān)測裝置中,，透過序列通道即可加以讀取和修改。這使得重設(shè)閥值能夠透過軟件加以修改,，完全不需要變更外部電壓分配器,。此外，ADC 能夠讓微處理器讀取大范圍的 SENSE 電壓,，而模擬監(jiān)測裝置電壓偵測比較器僅提供訊號來決定電壓高于或低于參考電壓,。大范圍的 SENSE 電壓允許數(shù)字監(jiān)測裝置設(shè)定變動欠壓監(jiān)測、變動過壓監(jiān)測及電壓不足偵測,。另外,，數(shù)字監(jiān)測裝置使用的大多數(shù)微處理器都有許多 I/O 接腳，因此能夠以相同裝置監(jiān)視多個電壓電軌,。數(shù)字電壓監(jiān)測裝置能夠監(jiān)測 12 個不同的電軌,，因此非常適用于復(fù)雜的大型系統(tǒng)。
電壓排序器是衍生自電壓監(jiān)測器的一種裝置,。電壓排序器可用來驅(qū)動系統(tǒng)中電源供應(yīng)的啟用接腳,，以提供多重電壓電軌的通電及斷電排序。圖 4 顯示多重電壓電軌系統(tǒng)適用的通電/斷電配置范例,。電壓會隨著其他的系統(tǒng)電壓在給定時(shí)間升降,。電壓排序器則用來控制和監(jiān)視通電及斷電時(shí)序。
圖 4. 通電及斷電排序范例
排序器為電源供應(yīng)提供賦能訊號,，而非提供系統(tǒng) RESET 訊號,。排序器一般是數(shù)字電路型或微處理器型裝置,，能夠針對個別系統(tǒng)獨(dú)特的各種通電及斷電排序可能性與組合進(jìn)行設(shè)定。電壓排序器可根據(jù)時(shí)間或其他電源供應(yīng)的狀態(tài)啟用電源供應(yīng),。啟用電源供應(yīng)后,，電源排序器會監(jiān)視欠壓或過壓事件的電源供應(yīng)，并且在這些事件發(fā)生時(shí)采取適當(dāng)動作,。適當(dāng)動作包括停用被監(jiān)視電源的供應(yīng)及其他電源供應(yīng),、重試失效的電源供應(yīng)、取消所有電源供應(yīng)的排序或采取其他設(shè)定動作,。電壓排序器能夠以單一排序 IC控制最多 8 個電源供應(yīng),。排序器 ICs 可在必要時(shí)串接，以提供 8 個以上電源供應(yīng)的排序,。圖 5 顯示的是 8 信道電壓排序器的一般配置,。
圖 5. 8 信道電壓排序器
監(jiān)測裝置的電壓位準(zhǔn)觸發(fā)單次基本功能可用于預(yù)期用途以外的多種應(yīng)用。例如,，電壓監(jiān)測裝置的其中一種常見應(yīng)用是提供按鈕開關(guān)的跳動消除機(jī)制,。一般開啟時(shí)，按鈕開關(guān)都未按下,，因此接點(diǎn)不會接觸而形成電路,。其中的機(jī)械部份會快速彈回，因此,，在最終機(jī)械部份固定而形成電路之前,，連接和中斷連接的時(shí)間只有幾毫秒。如果使用開關(guān)來引發(fā)邊緣觸發(fā)邏輯,，開關(guān)彈回時(shí)會有多次邏輯錯誤觸發(fā)的情形,。放開按鈕使得電路成為開路時(shí)，開關(guān)也會彈回,。
大多數(shù)的監(jiān)測裝置都有手動重設(shè)開關(guān)的輸入,，而開關(guān)與接腳連接 (一般標(biāo)示為 MR)。按下開關(guān)時(shí)會啟動重設(shè),，情況就好像是監(jiān)測的電壓降低,。監(jiān)測裝置可用來將按鈕連接于此接腳，以避免按鈕開關(guān)彈回,。重設(shè)時(shí)間必須比使開關(guān)不彈回或彈回的時(shí)間更長,。圖 6 顯示電壓監(jiān)測裝置做為開關(guān)彈回防制電路的范例，其中按鈕開關(guān)連接于 TPS3808 的 MR 接腳,。開關(guān)規(guī)格規(guī)定彈回時(shí)間最長 8 毫秒,，而不彈回時(shí)間最長 10 毫秒。外部 2.2nF 電容將重設(shè)時(shí)間長度設(shè)定為 13 毫秒,，這比不彈回或彈回的時(shí)間都要長,。圖 7 顯示按鈕輸入及重設(shè)輸出的預(yù)期波形,。
圖 6. 用于開關(guān)彈回防制的監(jiān)測裝置
圖 7. 開關(guān)彈回防制電路的時(shí)序
圖 8 顯示監(jiān)測裝置在相機(jī)閃光電路中做為簡單定時(shí)器來驅(qū)動高電流白光 LED (WLED) 的另一個范例,。在此范例中,，高功率 WLED 是由 1A 的電流驅(qū)動,，因此能夠產(chǎn)生數(shù)字?jǐn)z影所需的高亮度閃光。然而,，由于本身封裝的散熱限制,，WLED 無法一直維持這樣的電流量。放開閃光按鈕時(shí),，監(jiān)測裝置會提供 570 毫秒的 LED 閃光。
圖 8. 使用電壓監(jiān)測裝置的 WLED 閃光定時(shí)器
監(jiān)測裝置的監(jiān)控功能也可用于預(yù)期應(yīng)用以外的其他用途,。監(jiān)控功能可用來偵測脈沖序列何時(shí)停止,。例如，監(jiān)控功能可監(jiān)視序列通訊線路,，以判斷數(shù)據(jù)或頻率的序列串流何時(shí)停止,，或偵測停止或鎖定的馬達(dá)轉(zhuǎn)子 (rotor)。圖 9 顯示監(jiān)控定時(shí)器用于偵測鎖定的馬達(dá)轉(zhuǎn)子,。在此范例中,，微處理器用來驅(qū)動馬達(dá)。光纖槽轉(zhuǎn)速器附加在馬達(dá)轉(zhuǎn)軸末端,，只要馬達(dá)轉(zhuǎn)動,，轉(zhuǎn)軸就會提供脈沖序列。轉(zhuǎn)速器的光敏晶體管會以轉(zhuǎn)速器脈沖序列驅(qū)動監(jiān)控定時(shí)器的輸入 WDI,。如果馬達(dá)轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動,，脈沖序列就會停止，因此監(jiān)控定時(shí)器便不會重設(shè),。經(jīng)過 1.4 秒后,，如果轉(zhuǎn)速器無任何脈沖，TPS3128 便會將重設(shè)接腳的輸出降低,。這個低位訊號會驅(qū)動微處理器的輸入接腳,，因此微處理器可調(diào)整驅(qū)動輸出，以補(bǔ)償鎖定轉(zhuǎn)子狀況,。圖 10 顯示鎖定轉(zhuǎn)子狀況的時(shí)序,。
圖 9. 使用監(jiān)控定時(shí)器進(jìn)行的鎖定馬達(dá)轉(zhuǎn)子偵測
圖 10. 鎖定轉(zhuǎn)子時(shí)序
摘要
電壓監(jiān)控裝置及排序器已問市多年。目前新推出的裝置都采用數(shù)字運(yùn)作方式,，因此可增加靈活性,、監(jiān)視或定序通道的數(shù)量、可變電壓閥值及變動時(shí)序參數(shù),。不過,，即使使用這些新推出的高效能數(shù)字監(jiān)測裝置,，舊型模擬監(jiān)測裝置仍然適用于少部份監(jiān)視的通道，也可在開關(guān)彈回防制之類的系統(tǒng)中提供其他功能,，或用作定時(shí)元件,。
References
To learn more about voltage supervisors, download datasheets or other technical documents, visit:.
- http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/tps3808-ep.html
- http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/tps3128e12.html
關(guān)于作者
Scot Lester 現(xiàn)任德州儀器高效能模擬團(tuán)隊(duì)的應(yīng)用工程師，擁有 19 年以上的實(shí)機(jī)操作電路板設(shè)計(jì)資歷,，專研電池供電及可攜式應(yīng)用的低功耗 DC/DC 轉(zhuǎn)換器,。Scot 現(xiàn)為德州儀器技術(shù)小組成員，擁有加拿大蒙大拿州立大學(xué) BSEE 學(xué)位及美國維吉尼亞州喬治梅森大學(xué) MBA 學(xué)位,。