用复位发生器和电压监控器来避免故障

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 工程师经常会受到来自市场的压力,迫使他们增强产品的特性,同时降低产品的成本和结构。使用集成电路和高集成度的微处理器时会遇到这样的挑战。然而,这些元件需要用多种低电压供电。输入到电路板上的电源(或者DC-DC转换器)产生这些电压。 为了提供如同单一 电源电路板那样的可靠性,对电路板上所有的电源都要进行监控。新一代的电压监控器和复位产生器使得多电压的监控更加容易。

什么是复位产生器和电压监控器?

大多数微处理器提供“复位”引脚能使外部的硬件从固定的存储器位置开始执行程序。这个引脚由外部的集成电路驱动,称为复位产生器。在所有为处理器供电的电源都开启之后,在短暂的时间激活复位信号。外部的手动复位输入时,复位产生器也能激活复位信号。

当关闭电路板上的电源,或者电路板上的电源有一个有故障时会发生什么情况?

输入电源关闭时,电路板上所有的电压都关闭,输出电压开始下降。另一方面电源有故障时,输出电压会降至规定的电平之下,或者升高至有危险的电平。电源电压下降时,处理器不能够正确地执行指令,会跳转到其它存储器位置。因此,处理器会冲掉Flash存储器的内容,使系统不能正常工作。

为了防止这样的系统故障,使用了电压监控集成电路。电压监控集成电路监控电源电压,有任何电源发生故障时中断电路板上的处理器。处理器可以终止当前的操作,或者保存关键信息。此后,复位发生器使处理器处于复位状态,直到所有的电源都关闭。


图1 微处理器电路板的方块图

图1为简单处理器电路板的方块图。微处理器的内部电压和I/O电压向微处理器供电。图中展示了存储器、ASIC和Flash存储器和与之相关的电压。

电压监控器和复位产生器的运作

复位产生器等待所有的电压达到稳定状态,于是在复位脉冲持续一段时间后(取决于电容值),发出CPU的复位信号。然后使能Flash存储器写功能。如果上电时电路板上的任何一个电压有故障,就不会向处理器发出复位信号,以防止破坏Flash存储器。

所有电源开启时,监控器监控所有的电压(包括输入电源)。如果任何一个电压有故障,监控器向处理器发出一个中断信号,在短暂的时刻后,激活CPU复位,并关闭Flash写信号。监控器的有效性取决于其电压监控精度和对电压故障检测的速度。

针对监控器选择电压监控阈值

在图1中,CPU内部电压指定为1V ± 5%。监控器监控阈值应设置成1V-5%= 0.95V。设置后,当VCC-CPU内部电压低于0.95V时,监控器集成电路产生低电压中断信号。5个被监控电压中的任何一个低于对应的电压阈值时,图1中的监控器集成电路激活CPU中断信号。

电压监控精度

对于图1中的监控器,2%的0.95V阈值精度意为可以在任何点激活CPU中断信号,从0.95V+2%至0.95V-2%(0.97V至0.93V)。使用监控器集成电路时,监控器阈值应该设置在0.97V,防止处理器工作在低于其可容忍的电平。然而,这个设置限制了DC-DC转换器容限。通常精度为1%的监控器提供最佳的解决方案。

监控故障检测延时

测量故障检测延时指从 电源电压降到低于监控器的阈值至监控器指明故障的输出时间。然而在故障检测延时期间,电源电压继续下降。延时越长,在报告故障的时刻电源电压越低。因此,故障检测延时应该尽可能的短(最佳为数十微秒)。

用Power Good 信号监控电源电压

DC-DC转换器的PG(Power Good)信号指明了电压已经到达了其电压的近似90%。在图2所示的电路,所有的PG信号和手动复位信号都连接到PLD(可编程逻辑器件)。PLD产生CPU复位信号、中断CPU,通过逻辑方程关闭Flash写信号。这种方法还经常用来实现电源定序。

图2 用PLD的电压监控

优点:PLD对复位、中断的产生,以及关闭Flash写信号有很大的灵活性,能有效地进行电源定序。因为这个电路独立于DC-DC转换器的输出电压,它可以作为标准的解决方案用于各种应用。

缺点:电压监控的精度问题。在大多数转换器里,PG电路的阈值精度在5% 和10%之间。由于这个容限差错,不可能监控5 %的电压变化。
此外,这种方法不能监控输入电压。因此在电路板上电压关闭的过程中不能为微处理器提供充分的时间。

监控输入电压

图3展示了监控电路使用低成本复位发生器只监控输入电压。不对DC-DC转换器进行监控。

图3 监控输入电压

这个方法的优点是为电压监控提供低成本解决方案,在开启和关闭电源时处理复位产生。这个方法的缺点是无法确定电路板上其余的电源是否工作正常。因此,不能防止差错,例如由于任何电路板上DC-DC转换器的故障而引起破坏Flash数据。

用含有ADC的微处理器监控电源

图4的电路中,用含有集成了ADC的微处理器来监控和产生复位。微处理器中的电压监控软件代码用ADC来轮流测量每个电源电压,把存储的电压阈值和数字代码相比较,以确定电源是否有差错。电压监控软件通常用5到10毫秒的时间对中断信号做出响应。

图4 用微处理器监控电压

这个方法的优点是具有灵活性,能精确地设置电压监控阈值(仅限于ADC解决方案)。此外,相同的方法可以作为标准用于各种设计,因为能通过软件对电路板进行特殊的设置。

这个方法的缺点是:故障检测太慢,通常需要外部的带隙参考来满足精度的要求。

故障检测中的主要延时是由于引入监控,大约要5~10ms的时间。监控软件也要加入一些延时,因为时序监控和平均要求。大多数DC-DC转换器有故障时,或者关闭电源时,电压下降到可接受的范围之下大约要2~5ms。5~10ms的故障检测延时太慢,只留给处理器一个很短的时间来进行处理。

在大多数微控制器中,用ADC监控电压的片上参考电压的容限误差为2%~4%,因此需要外部集成电路的参考电压的监控精度提高到1%左右。

监控器和复位产生电路的实例

图5为可编程电源管理器件,Lattice POWR607用于监控输入电压和电路板上产生的电压。POWR607能监控多达6个电压,使用12微秒的故障检测延时片上可编程阈值比较器。典型的电压阈值精度是0.5%。比较器的输出连接到片上PLD。用PLD实现的逻辑产生控制信号。可编程定时器产生持续一段时间的脉冲复位信号。POWR607是在系统可编程的,配置存储在片上E2CMOS存储器中。

图5 用可编程电源管理集成电路进行电压监控

监控器和复位产生电路的优点

这个设计监控电路板上的电源电压和输入电源,组合了图2和图3的优点。可编程阈值功能具有图4中用微控制器的优点。因为典型的阈值精度是0.5%,这个电路没有图2和图4中电路的缺点。片上PLD提供与图2电路中相同的电源定序灵活性。

评估各种电路,很明显图5中使用Lattice电源管理芯片提供最可靠的监控器和复位产生电路。