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作者：Scot Lester，Texas Instruments
市場趨勢使得數字信號處理器 (DSP)、微處理器及現(xiàn)場可程序門陣列 (FPGA) 制造商不斷提高時脈頻率以達到更高效能，同時也需要降低功耗，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，例如驅動系統(tǒng)總線，與既有邏輯設備進行通訊或點亮 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動裝置內的高頻率邏輯。低核心電壓允許邏輯迅速切換，同時可減少耗電，因為相較于較高電壓，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)，才能使內部邏輯正確運作，并恰當執(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)定時器重設輸出訊號。不論是電壓監(jiān)測裝置或定時器，內部都能夠使用數字或模擬電子裝置。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，/RESET 輸出會下降。當劃分的 SENSE 電壓超過參考電壓時，會觸發(fā)可重復觸發(fā)的單次定時器。該定時器會在一段固定的時間內將 /RESET 訊號降低，并且將適當的 RESET 訊號發(fā)送給 DSP、微處理器、FPGA 或其他的復雜邏輯設備。
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)控定時器是一種特殊的計時裝置，如果 DSP 或微處理器無法定期重設 WDT，便會觸發(fā)系統(tǒng)重設。圖 2 顯示的是具有電壓監(jiān)視器及監(jiān)控定時器的監(jiān)測裝置。一般而言，DSP 或微處理器輸出接腳可用來驅動監(jiān)測裝置的監(jiān)控輸入。DSP 必須定時變更輸出的邏輯狀態(tài)，以產生脈沖序列。監(jiān)控定時器會監(jiān)視此脈沖序列。如果軟件進入無限循環(huán)或中止程序，導致 DSP 停止產生脈沖序列，則監(jiān)控定時器會逾時，而發(fā)出重設訊號來重新啟動 DSP，并能從任何軟件錯誤中恢復。從停止脈沖到重設的時間長度是由組成 WDT 電路的震蕩器及計數器所決定的，并且須視裝置而定。WDT 時間一般是 0.5 秒至 2 秒。
圖 2. 具有電壓監(jiān)視及監(jiān)控定時器的監(jiān)測裝置
透過數字方式也能夠使用相同的監(jiān)測裝置功能。圖 3 顯示使用數字電路采用的相同電壓監(jiān)測裝置。對于數字監(jiān)測裝置，仍然會劃分出需要監(jiān)視的電壓，以提供模擬數字轉換器 (ADC) 輸入范圍內的偵測電壓 (SENSE)。接著 ADC 會將 SENSE 電壓轉換為微處理器可辨識的數字訊號。微處理器的 I/O 接腳可用來驅動開汲極 MOSFET，以提供重設訊號。數字監(jiān)測裝置可提供模擬監(jiān)測裝置所沒有的功能。
圖 3. 數字電壓監(jiān)測裝置
數字監(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行通訊。關鍵參數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 電壓允許數字監(jiān)測裝置設定變動欠壓監(jiān)測、變動過壓監(jiān)測及電壓不足偵測。另外，數字監(jiān)測裝置使用的大多數微處理器都有許多 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動系統(tǒng)中電源供應的啟用接腳，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)電壓在給定時間升降。電壓排序器則用來控制和監(jiān)視通電及斷電時序。
圖 4. 通電及斷電排序范例
排序器為電源供應提供賦能訊號，而非提供系統(tǒng) RESET 訊號。排序器一般是數字電路型或微處理器型裝置，能夠針對個別系統(tǒng)獨特的各種通電及斷電排序可能性與組合進行設定。電壓排序器可根據時間或其他電源供應的狀態(tài)啟用電源供應。啟用電源供應后，電源排序器會監(jiān)視欠壓或過壓事件的電源供應，并且在這些事件發(fā)生時采取適當動作。適當動作包括停用被監(jiān)視電源的供應及其他電源供應、重試失效的電源供應、取消所有電源供應的排序或采取其他設定動作。電壓排序器能夠以單一排序 IC控制最多 8 個電源供應。排序器 ICs 可在必要時串接，以提供 8 個以上電源供應的排序。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)測裝置的電壓位準觸發(fā)單次基本功能可用于預期用途以外的多種應用。例如，電壓監(jiān)測裝置的其中一種常見應用是提供按鈕開關的跳動消除機制。一般開啟時，按鈕開關都未按下，因此接點不會接觸而形成電路。其中的機械部份會快速彈回，因此，在最終機械部份固定而形成電路之前，連接和中斷連接的時間只有幾毫秒。如果使用開關來引發(fā)邊緣觸發(fā)邏輯，開關彈回時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，開關也會彈回。
大多數的監(jiān)測裝置都有手動重設開關的輸入，而開關與接腳連接 (一般標示為 MR)。按下開關時會啟動重設，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，以避免按鈕開關彈回。重設時間必須比使開關不彈回或彈回的時間更長。圖 6 顯示電壓監(jiān)測裝置做為開關彈回防制電路的范例，其中按鈕開關連接于 TPS3808 的 MR 接腳。開關規(guī)格規(guī)定彈回時間最長 8 毫秒，而不彈回時間最長 10 毫秒。外部 2.2nF 電容將重設時間長度設定為 13 毫秒，這比不彈回或彈回的時間都要長。圖 7 顯示按鈕輸入及重設輸出的預期波形。
圖 6. 用于開關彈回防制的監(jiān)測裝置
圖 7. 開關彈回防制電路的時序
圖 8 顯示監(jiān)測裝置在相機閃光電路中做為簡單定時器來驅動高電流白光 LED (WLED) 的另一個范例。在此范例中，高功率 WLED 是由 1A 的電流驅動，因此能夠產生數字攝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，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 閃光定時器
監(jiān)測裝置的監(jiān)控功能也可用于預期應用以外的其他用途。監(jiān)控功能可用來偵測脈沖序列何時停止。例如，監(jiān)控功能可監(jiān)視序列通訊線路，以判斷數據或頻率的序列串流何時停止，或偵測停止或鎖定的馬達轉子 (rotor)。圖 9 顯示監(jiān)控定時器用于偵測鎖定的馬達轉子。在此范例中，微處理器用來驅動馬達。光纖槽轉速器附加在馬達轉軸末端，只要馬達轉動，轉軸就會提供脈沖序列。轉速器的光敏晶體管會以轉速器脈沖序列驅動監(jiān)控定時器的輸入 WDI。如果馬達轉子停止轉動，脈沖序列就會停止，因此監(jiān)控定時器便不會重設。經過 1.4 秒后，如果轉速器無任何脈沖，TPS3128 便會將重設接腳的輸出降低。這個低位訊號會驅動微處理器的輸入接腳，因此微處理器可調整驅動輸出，以補償鎖定轉子狀況。圖 10 顯示鎖定轉子狀況的時序。
圖 9. 使用監(jiān)控定時器進行的鎖定馬達轉子偵測
圖 10. 鎖定轉子時序
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字運作方式，因此可增加靈活性、監(jiān)視或定序通道的數量、可變電壓閥值及變動時序參數。不過，即使使用這些新推出的高效能數字監(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，也可在開關彈回防制之類的系統(tǒng)中提供其他功能，或用作定時元件。
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
關于作者
Scot Lester 現(xiàn)任德州儀器高效能模擬團隊的應用工程師，擁有 19 年以上的實機操作電路板設計資歷，專研電池供電及可攜式應用的低功耗 DC/DC 轉換器。Scot 現(xiàn)為德州儀器技術小組成員，擁有加拿大蒙大拿州立大學 BSEE 學位及美國維吉尼亞州喬治梅森大學 MBA 學位。