用復位發生器和電壓監控器來避免故障

摘要：介紹用可編程電源管理器件，萊迪思公司的POWR607對電壓進行監控，產生復位信號的解決方案。POWR607是在系統可編程器件，配置存儲在片上E2CMOS存儲器中。

關鍵詞：在系統可編程；POWR607；可編程電源管理器件

工程師經常會受到來自市場的壓力，迫使他們增強產品的特性，同時降低產品的成本和結構。使用集成電路和高集成度的微處理器時會遇到這樣的挑戰。然而，這些元件需要用多種低電壓供電。輸入到電路板上的電源(或者DC-DC轉換器)產生這些電壓。為了提供如同單一電源電路板那樣的可靠性，對電路板上所有的電源都要進行監控。新一代的電壓監控器和復位產生器使得多電壓的監控更加容易。

什么是復位產生器和電壓監控器?

大多數微處理器提供“復位”引腳能使外部的硬件從固定的存儲器位置開始執行程序。這個引腳由外部的集成電路驅動，稱為復位產生器。在所有為處理器供電的電源都開啟之后，在短暫的時間激活復位信號。外部的手動復位輸入時，復位產生器也能激活復位信號。

當關閉電路板上的電源，或者電路板上的電源有一個有故障時會發生什么情況?

輸入電源關閉時，電路板上所有的電壓都關閉，輸出電壓開始下降。另一方面電源有故障時，輸出電壓會降至規定的電平之下，或者升高至有危險的電平。電源電壓下降時，處理器不能夠正確地執行指令，會跳轉到其它存儲器位置。因此，處理器會沖掉Flash存儲器的內容，使系統不能正常工作。

為了防止這樣的系統故障，使用了電壓監控集成電路。電壓監控集成電路監控電源電壓，有任何電源發生故障時中斷電路板上的處理器。處理器可以終止當前的操作，或者保存關鍵信息。此后，復位發生器使處理器處于復位狀態，直到所有的電源都關閉。

圖1為簡單處理器電路板的方塊圖。微處理器的內部電壓和I/O電壓向微處理器供電。圖中展示了存儲器、ASIC和Flash存儲器和與之相關的電壓。

電壓監控器和復位產生器的運作

復位產生器等待所有的電壓達到穩定狀態，于是在復位脈沖持續一段時間后(取決于電容值)，發出CPU的復位信號。然后使能Flash存儲器寫功能。如果上電時電路板上的任何一個電壓有故障，就不會向處理器發出復位信號，以防止破壞Flash存儲器。

所有電源開啟時，監控器監控所有的電壓(包括輸入電源)。如果任何一個電壓有故障，監控器向處理器發出一個中斷信號，在短暫的時刻后，激活CPU復位，并關閉Flash寫信號。監控器的有效性取決于其電壓監控精度和對電壓故障檢測的速度。

針對監控器選擇電壓監控閾值

在圖1中，CPU內部電壓指定為1V±5％。監控器監控閥值應設置成1V-5％=0.95V。設置后，當VCC-CPU內部電壓低于0.95V時，監控器集成電路產生低電壓中斷信號。5個被監控電壓中的任何一個低于對應的電壓閥值時，圖1中的監控器集成電路激活CPU中斷信號。

電壓監控精度

對于圖1中的監控器，2％的0.95V閾值精度意為可以在任何點激活CPU中斷信號，從0.95V+2％至0.95V-2％(0.97V至0.93V)。使用監控器集成電路時，監控器閾值應該設置在0.97V，防止處理器工作在低于其可容忍的電平。然而，這個設置限制了DC-DC轉換器容限。通常精度為1％的監控器提供最佳的解決方案。

監控故障檢測延時

測量故障檢測延時指從電源電壓降到低于監控器的閾值至監控器指明故障的輸出時間。然而在故障檢測延時期間，電源電壓繼續下降。延時越長，在報告故障的時刻電源電壓越低。因此，故障檢測延時應該盡可能的短(最佳為數十微秒)。

用Power Good信號監控電源電壓

DC-DC轉換器的PG(Power Good)信號指明了電壓已經到達了其電壓的近似90％。在圖2所示的電路，所有的PG信號和手動復位信號都連接到PLD(可編程邏輯器件)。PLD產生CPU復位信號、中斷CPU，通過邏輯方程關閉Flash寫信號。這種方法還經常用來實現電源定序。

優點：PLD對復位、中斷的產生，以及關閉Flash寫信號有很大的靈活性，能有效地進行電源定序。因為這個電路獨立于DC-DC轉換器的輸出電壓，它可以作為標準的解決方案用于各種應用。

缺點：電壓監控的精度問題。在大多數轉換器里，PG電路的閾值精度在5％和10％之間。由于這個容限差錯，不可能監控5％的電壓變化。

此外，這種方法不能監控輸入電壓。因此在電路板上電壓關閉的過程中不能為微處理器提供充分的時間。

監控輸入電壓

圖3展示了監控電路使用低成本復位發生器只監控輸入電壓。不對DC-DC轉換器進行監控。

這個方法的優點是為電壓監控提供低成本解決方案，在開啟和關閉電源時處理復位產生。這個方法的缺點是無法確定電路板上其余的電源是否工作正常。因此，不能防止差錯，例如由于任何電路板上DC-DC轉換器的故障而引起破壞Flash數據。

用含有ADC的微處理器監控電源

圖4的電路中，用含有集成了ADC的微處理器來監控和產生復位。微處理器中的電壓監控軟件代碼用ADC來輪流測量每個電源電壓，把存儲的電壓閾值和數字代碼相比較，以確定電源是否有差錯。電壓監控軟件通常用5到10毫秒的時間對中斷信號做出響應。

這個方法的優點是具有靈活性，能精確地設置電壓監控閾值(僅限于ADC解決方案)。此外，相同的方法可以作為標準用于各種設計，因為能通過軟件對電路板進行特殊的設置。

這個方法的缺點是：故障檢測太慢，通常需要外部的帶隙參考來滿足精度的要求。

故障檢測中的主要延時是由于引入監控，大約要5～10ms的時間。監控軟件也要加入一些延時，因為時序監控和平均要求。大多數DC-DC轉換器有故障時，或者關閉電源時，電壓下降到可接受的范圍之下大約要2～5ms。5～10ms的故障檢測延時太慢，只留給處理器一個很短的時間來進行處理。

在大多數微控制器中，用ADC監控電壓的片上參考電壓的容限誤差為2％～4％，因此需要外部集成電路的參考電壓的監控精度提高到1％左右。

監控器和復位產生電路的實例

圖5為可編程電源管理器件，LatticePOWR607用于監控輸入電壓和電路板上產生的電壓。POWR607能監控多達6個電壓，使用12微秒的故障檢測延時片上可編程閾值比較器。典型的電壓閾值精度是0.5％。比較器的輸出連接到片上PLD。用PLD實現的邏輯產生控制信號。可編程定時器產生持續一段時間的脈沖復位信號。POWR607是在系統可編程的，配置存儲在片上E2CMOS存儲器中。

監控器和復位產生電路的優點

這個設計監控電路板上的電源電壓和輸入電源，組合了圖2和圖3的優點。可編程閾值功能具有圖4中用微控制器的優點。因為典型的閾值精度是0.5％，這個電路沒有圖2和圖4中電路的缺點。片上PLD提供與圖2電路中相同的電原定序靈活性。

評估各種電路，很明顯圖5中使用Lattice電源管理芯片提供最可靠的監控器和復位產生電路。