500nA 电源监控器延长了便携式应用中的电池使用寿命

引言

在电子设备 (特别是电池供电型产品) 的设计中，功耗是一项重要的问题。对于电子设备设计师而言，面临的难题是如何在不显著缩短设备电池运行时间的情况下增添功能。例如：拆开任何一部时尚的便携式设备，您将会发现，不少集成电路即使在处于空闲状态的时候也会消耗一定的电流。应尽量地减小嵌入式电路的静态电流和工作电流 (以最大限度地延长应用的电池工作寿命)，这一点很重要。

有的时候，在弱电池电压条件下，当接通设备时，您可能只会发现它没有任何反应，并且在其上电序列过早终止之后被部分配置。避免发生该问题的一种方法是采用功率需求极低的电源监控器来监视系统电源，从而使得它们即使在电池电量消耗非常之大的情况下也能够做出响应。LTC2934 和 LTC2935 超低功率监控器在设备工作的所有相位期间均提供了准确的电压监视和微处理器控制。系统初始化、电源故障预警、手动复位和上电/断电复位发生等功能都被内置于器件之中，因而仅需从电源吸收区区 500nA 的电流。

在非常适合于电池供电型产品的同时，LTC2934 和 LTC2935 也可在任何需要电压监视和/或微处理器控制的应用中使用。这些监控器的超低负载电流使产品能够采用容量较小的电池，并拥有较长的工作时间。其典型应用包括便携式数据记录器、医疗设备、远程系统和本质安全设备。

图1：典型的电源监视器应用。

电源电压上升：启动很重要

在电源上电的过程中需要控制器件的启动，这一点很重要。LTC2934/35 上电复位(POR) 功能提供了电压监视和逻辑控制，用于防止在电源电压不足的情况下起动微处理器。PRO 功能还产生了一个延时，以为电源电压的稳定提供少许余量。该延时也使得一个处理器振荡器能够起振，并在允许微处理器执行编码操作之前达到一个稳定的频率。

来自监控器的复位输出 /RST 通常连接至微处理器的复位输入。在系统启动期间，监控器把 /RST 输出保持于低电平。当电压达到一个规定的最小值时，内部复位定时器将开始运行，并另外再把 /RST 输出保持于低电平达一定的时间 (通常为 200ms)。当复位定时器终止操作时，/RST 输出被拉至高电平，并把微处理器从其复位状态中释放出来。

图 2 示出了从图 1 所示的典型应用电路获得的电源上升波形。当 VCC 超过了电源故障门限 +2.5% 迟滞 (3.192V x 1.025 = 3.272V) 时，允许把电源故障输出 (/PFO) 拉至高电平。LT3009 (一款 3μA LDO) 从 VCC 来供电。由于 /PFO 输出由 LDO 输出来上拉，因此 /PFO 将跟随 LDO。当 LDO 输出超过了复位门限 +5% 迟滞 (1.696V x 1.05 = 1.781V) 时，内部复位定时器开始运行。在 200ms 之后，/RST 被拉至高电平，而且，与 /RST 相连的系统逻辑电路从其复位状态中释放出来。

图2：典型的上电波形。

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电源电压下降：注意预警

非受控的电源丢失会引发许多的系统问题。LTC2934 和 LTC2935 包含一个电源故障逻辑输出 (/PFO)，将其拉至低电平，以对即将发生的电源丢失提供预警。预警应在被监视电源的电压下降至不足电平之前 (以及远远早于 /RST 输出被拉至低电平的时候) 提供，这样才能发挥效用。/PFO 和 /RST 被拉至低电平之间的时间可用于在停机之前启动多项关键的操作。当监控器把微处理器复位拉至低电平时，就有可能无法执行操作。由电源故障报警信号所启动的操作包括：关断非关键元件 (以保存能量)，并把重要的数据写入存储器。有些安全应用可能还会要求将数据删除，从而不给存储器窥探者以可乘之机。

图 3 示出了从图 1 所示应用电路获得的电源下降波形。这些波形示出了当 VCC突然从系统断接时，/PFO 是如何提供具有足够提前量的报警的。在 1.8V 电压条件下，LT3009 将向一个负载提供 10mA 的恒定电流。当 VCC (标称值为 4.1V) 被断接时，100μF 输入电容器开始放电。电源故障门限被配置为 3.192V。

图3：典型的断电波形。

由于电源故障条件继续存在，而不仅仅持续很短的时间，因此，逻辑输出 /PFO 将被拉至低电平，并在一个小的比较器延迟之后保持低电平状态。在这个时候，系统逻辑电路 (通常连接至 /PFO) 应采取适当的停机动作。在该应用中，在电源故障发生之后剩余的工作时间大约为 10ms。最后，VCC 变得非常之低，以至于 LDO 将开始出现压降。在 LDO 输出降至复位门限 (1.696V) 以下之后不久，/RST 将被确定为低电平。此时，系统负载被移除，而且 LDO 输出开始恢复。不过，剩余的负载和内置迟滞将会防止 LDO 的恢复对 /RST 输出产生干扰。

选择固定或可调门限

LTC2935 集成了 8 对精准的复位和电源故障门限。采用 3 个数字选择输入来配置 8 对门限中的任何一对 (见表 1)。采用 LTC2935 的典型应用电路不需要额外的外部元件。因此，解决方案所占用的板级空间极小，而且功率极低。

表1：下降门限选择表。

当需要定制 (可调) 门限时，可采用 LTC2934。LTC2934 用于监视施加在其 PFI和 ADJ 输入端上的电压 (一般是通过一个外部阻性分压器来完成)。外部分压器的电阻值可以很大，这有助于保持低电流。因输入漏电流 (在整个温度范围内的最大值为 1nA) 而引起的分压器误差往往非常小，根本不用担心。PFI 和 ADJ 输入具有精准的 400mV 门限 (下降)，所以可进行低电压监视。

LTC2934 和 LTC2935 的下降门限准确度均为 ±1.5% (在整个工作温度范围内)。最小 VCC 很低，仅为 1.6V。关于配置的细节，在 LTC2934 和 LTC2935 的产品手册中有述。

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手动复位和复位定时

LTC2934 具有两种可选的复位超时周期。把 RT 输入连接至低电平，选择的是一个 15ms 超时，而把 RT 输入连接至高电平则选择的是一个 200ms 超时。LTC2935 具有一个 200ms 的固定超时。这两款器件均具有一个手动复位输入，当 /MR 输入被拉至低电平时 (通常利用一个开关来完成)，该手动复位输入将把 /RST 确定为低电平。/MR 输入具有一个连接至 VCC 的内部 900k 上拉电阻器，用于在开关开路时对 /MR 输入执行上拉操作。或者，也可以利用一个外部逻辑信号来把 /MR 输入拉至低电平。当 /MR 输入恢复高电平时，/RST 将在复位超时周期结束之后被拉至高电平 (假设被监视的输入电压高于复位门限)。

监视一个两节层叠锂离子电池

有些便携式应用使用一组电池来实现较长的产品工作寿命。对于采用两节层叠 4.1V 锂离子电池 (或相似电池) 的产品，总层叠电压 (8.2V) 超过了 LTC2934 的最大工作电压 (5.5V)。然而，如果两节层叠电池的中心抽头是可用的话，那么仍然能够监视电池。图 4 示出了采用层叠电池的中心抽头来对 LTC2934 施加偏压的方法。在电源故障输入端 (PFI) 上对总层叠电压进行监视。该应用电路被配置成在电池电压之和降至 6.00V 以下时把 /PFO 输出拉至低电平。可调输入 (ADJ) 负责监视 LDO 输出。当 LDO 输出降至 3.00V 以下时，/RST 输出将被拉至低电平。

图4：层叠锂离子电池和 LDO 监控器。

非常充裕的迟滞

某些应用电路在加电时将产生一个很大的负载瞬变。如果电池的串联电阻很大，那么这种瞬变就会导致电池电压显著地下降。如果负载在复位输出被拉至高电平之后启用，则随后出现的电压降有可能把 VCC 监视器输入端上的电压置于门限以下，从而导致复位和电源故障输出被拉至低电平。在这样的场合中，采用有源门限控制 (如图 5 所示) 是有帮助的。LTC2935 的电源故障输出 (/PFO) 可用于改变任何 (或全部) 门限控制输入状态 (S2、S1、S0)。电源故障比较器门限始终高出复位门限达 150mV，而且，电源故障输出并不经历 200ms 的复位超时延迟。如果电源故障输出在复位输出之前被拉至高电平 (对于上升电源而言情况几乎总是这样)，则它将可被用来把下降门限降至其他7种门限选项之一。在图 5 中，复位下降门限从 3.3V (/PFO 为低电平) 变至 2.25V (/PFO 为高电平），这提供了一个 1.05V 的充裕下降迟滞。

图5：有源门限控制。

结论

LTC2934 和 LTC2935 监控器所需的 500nA 电流非常之小，因而可被置于器件功率预算的“无关”列之中。尽管功率很低，但这些监控器并未舍弃功能。上电复位和电源故障预警信号为系统逻辑电路提供了无干扰的逻辑控制。复位延迟时间是内置的。这两款器件均具有手动复位功能。这些监控器的配置很容易，而且所需的外部元件极少。超低的输入漏电流规格使得高性能应用成为可能。其技术规格在 -45℃ 至 85℃ 的温度范围内得到保证。这两款器件全部采用节省空间的 8 引脚、2mm x 2mm DFN 和 TSOT-23 (ThinSOTTM) 封装。