摘要：該應用筆記說明高可靠系統中合理監控電源電壓和電源排序的必要性，給出了監控器的選擇標準，并說明上電復位(POR)電路、多電壓監控和余量功能的必要性。另外，還討論了系統管理電路。

緒論

對于多數電子系統，用上電復位(POR)電路監控系統電壓可以保證正確的上電初始化。此外，用POR監視電壓跌落，能夠盡可能避免代碼運行中的問題(存儲器不可靠或導致系統不能正確運行)。為了改善高端系統的可靠性，系統電源必須有正確的時序，以防止其微控制器、微處理器、DSP或ASIC閉鎖，閉鎖問題可能導致系統損壞或影響其長期穩定性。在大多數情況下，一個或多個微處理器監控IC可實現這些排序和監控功能。

利用檢測器和上電復位電路監控電壓

監控系統電源電壓的一種簡單方法是電壓檢測器，這種IC包括一個比較器和一個內部基準。當電源電壓降到低于電壓檢測器的閾值時，輸出報警信號通知系統微控制器即將發生電源故障。從而使微控制器能夠以受控方式對存儲器進行備份、接通或斷開電源或使系統關斷。

上電或斷電期間，當電壓檢測器改變狀態時，在很短的傳輸延遲后即可觸發輸出跳變。這有利于電源故障報警，而在大多數情況下，微控制器的復位輸入需要較長的延遲時間(稱作復位超時周期)。上電過程中，系統時鐘和電源必須在微控制器解除復位狀態之前穩定下來，而且，處理器的寄存器必須完成初始化。上電復位(POR)是微處理器監控IC的功能之一，提供復位超時周期，使系統在微控制器開始工作之前完成初始化。同樣，如果上電后電源電壓瞬間跌落至POR閾值，在電源恢復到POR閾值以上后，會提供同樣的超時延遲。上電復位具有不同的固定超時周期數和閾值電壓，有些上電復位芯片還提供電容可調的超時周期。

監控多電壓系統

大多數系統監控3.3V I/O邏輯電源。為了使系統具有較高可靠性，必須監控額外的電源，如核電壓和存儲器電源電壓等。為數眾多的多電壓微處理器監控器能夠勝任這項任務，但給定系統的特殊要求使芯片的選擇余地大大減少。

大多數監控器能夠監控標準電壓(如5V、3.3V、2.5V和1.8V)，實際應用中還會需要監控額外的電壓，這是因為不同元件(例如存儲器、PLD和ASIC)具有不同的電源要求。因此，需要決定采用固定閾值器件(這種器件不需要外部電阻器)還是更靈活的可調閾值器件(這種器件可以根據需要改變門限，但需要外部電阻器)。具有固定和可調閾值的組合器件是最好的解決方案。在選擇器件時，重要的是選擇其基準電壓低于所監控的系統最低電壓。例如，在0.8V，0.9V和1V電源系統中，1.2V基準器件就不能工作。

近年來，高可靠系統中的電源電壓數量逐步增加，有些系統需要10個甚至更多的電源電壓，針對這種應用可以選擇多通道監控器件，特別是具有漏極開路輸出的多電壓監控器，這種器件的輸出可以將輸出通過邏輯“或”，合并為單一輸出。圖1所示將兩個MAX6710連接在一起，可監控8路電壓，提供一個復位輸出信號。


圖1. 利用兩片漏極開路輸出的多電壓監控器監控8路電壓，提供單個復位輸出。

過壓保護電路

某些電源不僅需要監視欠壓條件，同時還需要監視過壓條件。很多系統中，為了防止損壞昂貴的處理器和ASIC，過壓監視已成為必不可少的條件。常用的過壓保護電路有兩種：一種是由兩個電壓檢測器和一個基準構成的窗口檢測器，同時監控過壓條件和欠壓條件，也可以選擇專用的窗口檢測器IC，如MAX6754。另外一種電壓保護電路包括一個外部p溝道MOSFET，若電壓超過指定電平，則外部p溝道MOSFET關閉電源(參見圖2)。


圖2. 當監控電路檢測到過壓情況時，p溝道MOSFET斷開電源。

電源排序

利用DC-DC電源調節器的使能或關斷引腳可以方便地對電源進行排序。在"菊花鏈"配置中，當電源首次上電時，電源要求其上電就緒(POK)信號(假若有此信號)告知其他電路其電壓是否在余量內。POK輸出連接第2個調節器的關斷或使能引腳，并在有效時開啟調節器，如圖3所示。對于需要較長延遲的情況，某些調節器包括一個POR，允許在開通下一個電源前有較長的時間延遲。


圖3. 帶有POK輸出的電源為電源排序提供一種簡便方法。

沒有POK信號時，可以用電壓檢測器或POR監控電源輸出，把檢測器或POR輸出連接到第2個電源的關斷或使能輸入引腳。當監視電壓超過特定閾值時，第2個電源開啟。存在電源干擾時，特別是監控電壓接近于門限值時，檢測器會頻繁地接通、關閉調節器。為了避免這種情況，上電復位電路可在一定程度上改善這種狀況――這也是POR超時周期帶來的好處。當被監控電壓低于監控器的閾值時，POR輸出在監控電壓恢復到閾值電壓以前保持復位狀態，并在電壓恢復正常后繼續保持最小超時周期的復位狀態。在超時周期內，監控電壓必須保持大于復位閾值，從而解除復位狀態，避免重復復位操作。利用POR產生關斷或使能信號還允許用戶控制導通時間，POR提供幾微秒~1秒以上的超時周期。另外，電容可調的POR允許改變指定器件的超時周期。

上電復位電路還可以控制其它電源的上電順序。例如，在一個有3個電源供電的系統中，可以在第3個電源有效前使前兩個電源有效。如果用不帶POK輸出的穩壓器產生前兩路電源，則可以用一個雙電壓POR監視它的兩個電壓。通過控制第三路電源的使能或關斷引腳，使第三路電源順序上電。為了對更多數量的電源進行順序控制，可以采用多電壓監控器件。例如，一個四電壓檢測器適合對4路電源排序。此外，可以采用具有不同延遲的多復位輸出器件對多個電源進行順序控制。

開關元件

使用"銀盒" 或 "磚" 電源時，如果沒有附加電路，有時無法以受控次序接通或斷開每路電壓。這種電源提供標準電壓(如5V、3.3V、2.5V和1.8V)，電壓分布在整個系統中。例如，一個 "磚" 電源可為兩片不同IC提供3.3V邏輯電源和1.8V核電源。有些情況下，這些IC需要不同的上電順序；一個器件需要核電壓先上電，而另一個器件則需要I/O電源先上電。

這種情況下，電源排序可以通過一個外部開關元件控制電源的通/斷。圖4所示用一個電壓檢測器連接到MOSFET的柵極，此MOSFET用來控制VCC1的通/斷。系統存在較高電壓，能夠提供足夠的柵－源驅動時，可以選用n溝道MOSFET。但在上電過程中可能引發其它問題，上電期間，若VCC2先于VCC1達到足夠高的電平，VCC2將驅動MOSFET使其導通，直到VCC1上升到足夠高的電平，使電壓檢測器輸出低電平。


圖4. 系統存在較高電壓時，電壓檢測器通過n溝道MOSFET可以控制低電壓電源的上電順序。

同種類型的電路可以用一個電壓檢測器和一個p溝道MOSFET實現，不需要第2個較高電壓。但是，此電路不適合低壓電源。另外，p溝道MOSFET較高的導通電阻，使其對大功率應用不合適。

在多電壓電源的排序應用中，比較簡單、可靠的方法是利用MAX6891等器件實現監控和排序雙重功能(參見圖5)。這類IC用復位電路監控第一個電壓來確定該電壓是否在規定的范圍內；當該電壓達到指標要求時，IC通過其MOSFET驅動器接通MOSFET。內部電荷泵為第2路電源增加了一個固定電壓，用于控制MOSFET的柵極，這有助于確保柵一源電壓足夠高，驅動MOSFET完全導通。


圖5. 主電源上電后，MAX6819接通第二路電源。板上電荷泵增強MOSFET驅動，使其導通電阻最小。

余量功能

很多電信、網絡、存儲和服務器設備在制造過程中往往采用余量測試規程，保證系統的可靠性。“余量”涉及系統(或處理器)的評估，使系統電源偏離標稱電壓進行評估。為了改變電壓，通常用數字電位器或電流DAC調節DC-DC轉換器的反饋回路。圖6所示是電源余量控制的兩種方法。另外，還可以通過一個數字接口編程電源輸出。不同程度的余量控制包括 "合格/失效"，對所有電源電壓增加或減少±5%或±10%電平，和精細調節(電源以10mV或100mV步長增加或降低)；后一種方法允許更詳細地評估系統性能。


圖6. 執行電壓余量的兩種簡單技術包括增加一個數字電位器或電流DAC到DC-DC轉換器的反饋回路。

可以用ADC更精確地測量這些電源電壓，可以利用微控制器內部ADC實現該功能；然而，在微控制器供電電源降到規定電壓以下時，內部基準可能超出容限范圍，影響ADC精度。余量測試期間必須斷開或禁止復位輸出，這樣系統可以繼續工作。否則，系統將復位，無法檢測到系統失效時的電源電壓。大規模系統的余量測試過程可能需要相當長的時間。

單一芯片集成監控、排序和余量功能

盡管很多處理器只需要兩路電源，一路核電源和一路I/O電源，而其它器件(如DSP、ASIC、網絡處理器和視頻處理器)可能需要5路電源。在一個完整的系統中，監控器電路可能需要監控并排序控制10路以上的電源。隨著系統電源電壓數量的增加，需要監控、排序和余量測試的IC數量也在增加。從而使成本增加，并占用更多的電路板空間。需要改變參量(如電壓閾值，復位暫停周期)時，還要增加新的器件。此外，改變排序次序也是一個相當困難的任務。

為了降低電路復雜程度，可以采用可編程系統管理IC，這種IC將監控和排序功能集于一體。器件的可編程性簡化了控制過程的修改。在樣機和制造階段不需要更換器件。大多數情況下，可以通過串行接口編程設置內部寄存器，設置閾值和延遲時間。板上EEPROM用來存儲這些寄存器的內容。

圖7所示為MAX6870系統管理器件監控和排序幾個系統電源的框圖。當+12V總線電壓增加并超過其閾值(存儲在MAX6870中)時，MAX6870的一路輸出立即或經過一個延遲周期(也存儲在MAX6870存儲器中)后開啟+5V穩壓器。+5V穩壓器上升，而且達到所對應的閾值時，+3.3V電源開啟。隨后，其余電源依次以相同的方時啟動。


圖7. 可編程系統管理器件為電壓監控和排序提供一種靈活的方法。

通過編程系統管理器件還可以提供其它監控功能(如復位電路和看門狗定時器)。系統管理器件通過其模擬和數字輸入，也可監控電源電壓以外的參量。在圖7電路中，AUXIN_ (模擬輸入)和GPI_ (數字輸入)監控一個溫度讀數和一個電流檢測讀數。MAX6870包括一個10位ADC，可量化讀數。微控器監控這些量化數值的狀態。溫度傳感器和電流檢測監控器均包含一個比較器，指示已發生的失效(即溫度或電流是否超過指定門限)。每個比較器輸出連接到MAX6870通用輸入(GPI)，MAX6870被配置成發生失效條件時，關閉一個或多個電源，從而減少+12V電源上的負載。

內部ADC簡化了精確的余量測試。在余量測試過程中，可以從ADC寄存器讀取每個電源的輸出電壓。同樣，余量輸入也可以禁止輸出或編程到已知狀態，因此，在此期間可避免系統復位。

結論

高端系統中，監控、排序和余量測試有多種方法。新一代系統管理器件可以解決當前系統設計人員面臨的復雜問題。可以用新型、完全集成的器件替代傳統方案，在單個芯片中提供更大的靈活性和更多的功能，從而節省電路板空間，降低成本，縮短設計時間。