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电压监测装置发挥多重功用

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作者：Scot Lester，Texas Instruments

市场趋势使得数字信号处理器 (DSP)、微处理器及现场可程序门阵列 (FPGA) 制造商不断提高时脉频率以达到更高效能，同时也需要降低功耗，这两个相斥的条件造就了多重电轨装置的开发。一般多重电轨装置会有一个 I/O 电压，其功能为输入及输出供电，例如驱动系统总线，与既有逻辑设备进行通讯或点亮 LED。I/O 电压通常为 3.3V 或 5.0V，是电路板上较高的电压之一。一个或多个较低的核心电压会用来驱动装置内的高频率逻辑。低核心电压允许逻辑迅速切换，同时可减少耗电，因为相较于较高电压，它能够降低切换耗损。

这些高效能多重电压装置需要核心电压的紧密公差 (tight tolerance)，才能使内部逻辑正确运作，并恰当执行软件程序代码。此外，在多重电压装置中，一般都有通电电压排序需求，藉以避免在通电及断电时造成锁定与装置损坏。电压监测装器可用于这类高效能装置，以确保在不同的电源条件下顺利启动及执行程序代码。

在最简单的形式中，电压监测装置包含电压侦测电路，这会触发定时器重设输出讯号。不论是电压监测装置或定时器，内部都能够使用数字或模拟电子装置。图 1 显示了一个典型的电压监测电路。电压侦测电路是带有迟滞的比较器。需监视的电压一般会透过外部电阻分配器加以划分，并且与参考电压相比较。监测装置通电时，/RESET 输出会下降。当划分的 SENSE 电压超过参考电压时，会触发可重复触发的单次定时器。该定时器会在一段固定的时间内将 /RESET 讯号降低，并且将适当的 RESET 讯号发送给 DSP、微处理器、FPGA 或其他的复杂逻辑设备。

图 1. 模拟电压监测装置

除了单纯监视电轨之外，某些监测装置也使用监控定时器 (WDT) 来监视 DSP 或微处理器程序代码的执行。监控定时器是一种特殊的计时装置，如果 DSP 或微处理器无法定期重设 WDT，便会触发系统重设。图 2 显示的是具有电压监视器及监控定时器的监测装置。一般而言，DSP 或微处理器输出接脚可用来驱动监测装置的监控输入。DSP 必须定时变更输出的逻辑状态，以产生脉冲序列。监控定时器会监视此脉冲序列。如果软件进入无限循环或中止程序，导致 DSP 停止产生脉冲序列，则监控定时器会逾时，而发出重设讯号来重新启动 DSP，并能从任何软件错误中恢复。从停止脉冲到重设的时间长度是由组成 WDT 电路的震荡器及计数器所决定的，并且须视装置而定。WDT 时间一般是 0.5 秒至 2 秒。

图 2. 具有电压监视及监控定时器的监测装置

透过数字方式也能够使用相同的监测装置功能。图 3 显示使用数字电路采用的相同电压监测装置。对于数字监测装置，仍然会划分出需要监视的电压，以提供模拟数字转换器 (ADC) 输入范围内的侦测电压 (SENSE)。接着 ADC 会将 SENSE 电压转换为微处理器可辨识的数字讯号。微处理器的 I/O 接脚可用来驱动开汲极 MOSFET，以提供重设讯号。数字监测装置可提供模拟监测装置所没有的功能。

图 3. 数字电压监测装置

数字监测装置含有微处理器，因此功能与灵活性都比模拟监测装置好。某些数字监测装置提供序列信道，能够与其他电源管理装置或主要的微处理器进行通讯。关键参数及配置信息可储存于监测装置中，透过序列通道即可加以读取和修改。这使得重设阀值能够透过软件加以修改，完全不需要变更外部电压分配器。此外，ADC 能够让微处理器读取大范围的 SENSE 电压，而模拟监测装置电压侦测比较器仅提供讯号来决定电压高于或低于参考电压。大范围的 SENSE 电压允许数字监测装置设定变动欠压监测、变动过压监测及电压不足侦测。另外，数字监测装置使用的大多数微处理器都有许多 I/O 接脚，因此能够以相同装置监视多个电压电轨。数字电压监测装置能够监测 12 个不同的电轨，因此非常适用于复杂的大型系统。

电压排序器是衍生自电压监测器的一种装置。电压排序器可用来驱动系统中电源供应的启用接脚，以提供多重电压电轨的通电及断电排序。图 4 显示多重电压电轨系统适用的通电/断电配置范例。电压会随着其他的系统电压在给定时间升降。电压排序器则用来控制和监视通电及断电时序。

图 4. 通电及断电排序范例

排序器为电源供应提供赋能讯号，而非提供系统 RESET 讯号。排序器一般是数字电路型或微处理器型装置，能够针对个别系统独特的各种通电及断电排序可能性与组合进行设定。电压排序器可根据时间或其他电源供应的状态启用电源供应。启用电源供应后，电源排序器会监视欠压或过压事件的电源供应，并且在这些事件发生时采取适当动作。适当动作包括停用被监视电源的供应及其他电源供应、重试失效的电源供应、取消所有电源供应的排序或采取其他设定动作。电压排序器能够以单一排序 IC控制最多 8 个电源供应。排序器 ICs 可在必要时串接，以提供 8 个以上电源供应的排序。图 5 显示的是 8 信道电压排序器的一般配置。

图 5. 8 信道电压排序器

监测装置的电压位准触发单次基本功能可用于预期用途以外的多种应用。例如，电压监测装置的其中一种常见应用是提供按钮开关的跳动消除机制。一般开启时，按钮开关都未按下，因此接点不会接触而形成电路。其中的机械部份会快速弹回，因此，在最终机械部份固定而形成电路之前，连接和中断连接的时间只有几毫秒。如果使用开关来引发边缘触发逻辑，开关弹回时会有多次逻辑错误触发的情形。放开按钮使得电路成为开路时，开关也会弹回。

大多数的监测装置都有手动重设开关的输入，而开关与接脚连接 (一般标示为 MR)。按下开关时会启动重设，情况就好像是监测的电压降低。监测装置可用来将按钮连接于此接脚，以避免按钮开关弹回。重设时间必须比使开关不弹回或弹回的时间更长。图 6 显示电压监测装置做为开关弹回防制电路的范例，其中按钮开关连接于 TPS3808 的 MR 接脚。开关规格规定弹回时间最长 8 毫秒，而不弹回时间最长 10 毫秒。外部 2.2nF 电容将重设时间长度设定为 13 毫秒，这比不弹回或弹回的时间都要长。图 7 显示按钮输入及重设输出的预期波形。

图 6. 用于开关弹回防制的监测装置

图 7. 开关弹回防制电路的时序

图 8 显示监测装置在相机闪光电路中做为简单定时器来驱动高电流白光 LED (WLED) 的另一个范例。在此范例中，高功率 WLED 是由 1A 的电流驱动，因此能够产生数字摄影所需的高亮度闪光。然而，由于本身封装的散热限制，WLED 无法一直维持这样的电流量。放开闪光按钮时，监测装置会提供 570 毫秒的 LED 闪光。

图 8. 使用电压监测装置的 WLED 闪光定时器

监测装置的监控功能也可用于预期应用以外的其他用途。监控功能可用来侦测脉冲序列何时停止。例如，监控功能可监视序列通讯线路，以判断数据或频率的序列串流何时停止，或侦测停止或锁定的马达转子 (rotor)。图 9 显示监控定时器用于侦测锁定的马达转子。在此范例中，微处理器用来驱动马达。光纤槽转速器附加在马达转轴末端，只要马达转动，转轴就会提供脉冲序列。转速器的光敏晶体管会以转速器脉冲序列驱动监控定时器的输入 WDI。如果马达转子停止转动，脉冲序列就会停止，因此监控定时器便不会重设。经过 1.4 秒后，如果转速器无任何脉冲，TPS3128 便会将重设接脚的输出降低。这个低位讯号会驱动微处理器的输入接脚，因此微处理器可调整驱动输出，以补偿锁定转子状况。图 10 显示锁定转子状况的时序。