本文討論了高性能電壓監控器，包括ADI公司產(chǎn)品系列中的一些產(chǎn)品，介紹了電壓監控器的功能、輸入和輸出基礎以及高性能電源監控產(chǎn)品的其他基礎知識。

電壓監控器是一類(lèi)用于監控電壓供應軌的器件，只要滿(mǎn)足監控條件，它就會(huì )提供一個(gè)可用來(lái)執行某種操作的輸出。它會(huì )檢測被監控電壓供應軌是否低于或超過(guò)預定義的電壓水平（稱(chēng)為閾值）。它提供的輸出信號通常稱(chēng)為復位信號，用于將另一個(gè)器件置于另一種工作模式，例如復位模式或活動(dòng)模式。對于那些在特定電壓范圍之外運行會(huì )導致錯誤和故障的應用來(lái)說(shuō)，使用電壓監控器也是十分合適的。有時(shí)，復位輸出也用于使能和禁用另一個(gè)器件，例如在任何需要一定輸入電壓范圍才能正常運行的應用中。一個(gè)典型的應用例子是使用電壓監控器來(lái)讓穩壓器正常運行，如圖1a所示。為了確保啟動(dòng)期間正常運行，LDO穩壓器要求輸入中有足夠的能量，或者說(shuō)需要足夠高的輸入電壓水平。

眾所周知，電壓監控器是與微控制器或MCU密切相關(guān)的搭檔。當命令正在執行的時(shí)候，如果電源電壓降至最低工作范圍以下，MCU就有發(fā)生故障和造成系統出錯的風(fēng)險。在這種情況下，MCU的電源電壓即為被監控電壓，MCU的最低工作電壓應為閾值電壓。我們將在文中進(jìn)一步討論如何定義閾值電平。用于監控微控制器電源的電壓監控器的一個(gè)簡(jiǎn)單例子是ADM809如圖1b所示。監控器檢測被監控的電壓水平，并將其饋入 VCC 引腳。一旦被監控的電壓低于閾值，低電平有效復位輸出就會(huì )將微處理器置于復位模式，直至電壓供應恢復到正常水平。

圖1. ADM809是電壓監控器的一個(gè)簡(jiǎn)單例子，它監控輸入電壓以(a)在輸入電壓水平處于正確范圍以?xún)葧r(shí)使能LDO穩壓器，并(b)在掉電狀況下將微處理器系統置于復位模式。

關(guān)于電壓監控器，需要了解四個(gè)重要輸入規格參數。這將有助于系統設計人員實(shí)施電壓監控器來(lái)提升系統在應用中的可靠性。這些規格參數包括復位閾值、閾值精度、復位閾值滯回和上電復位。

復位閾值

復位閾值是電壓電平；當被監控的電壓低于此值時(shí)，它就會(huì )發(fā)出復位信號。在電壓監控器產(chǎn)品中，復位閾值通常標記為 VTH。當被監控電壓 VCC降至復位閾值電壓 VTH以下時(shí)，它會(huì )產(chǎn)生低電平復位輸出，如圖2中的時(shí)序圖所示。在應用中，閾值電壓設置為允許系統正常運行的最小電壓。

圖2. 電壓監控器的被監控電壓 VCC和復位輸出信號的時(shí)序圖。

設置復位閾值的一種方法是通過(guò)外部電阻分壓器。被監控電壓的一小部分與基準電壓源進(jìn)行比較，以了解被監控電壓是否高于或低于復位閾值，如圖3a所示。ADM8612 是此配置的一個(gè)例子。一些電壓監控器的復位閾值是在工廠(chǎng)通過(guò)激光調整由內部電阻分壓器設置的，例如 MAX16140。這帶來(lái)了一些優(yōu)勢，例如外部元件更少，可以為解決方案騰出額外空間，滿(mǎn)足緊湊型應用的需求，如圖3b所示。它還能實(shí)現更高的精度，因為它不依賴(lài)于外部因素（例如使用具有容差的標準值電阻）。然而，外部電阻方案支持靈活地調整復位閾值電平。

圖3. 復位閾值的設置方法：(a) ADM8612復位閾值通過(guò)外部電阻分壓器設 置，(b) MAX16140復位閾值通過(guò)工廠(chǎng)調整的內部電阻分壓器設置。

閾值精度

閾值精度是指實(shí)際閾值與計算的復位閾值或目標復位閾值的接近程度。一些因素會(huì )影響閾值的精度，包括電阻分壓器和基準電壓。電阻分壓器和基準電壓都是模擬電路，受溫度等環(huán)境因素的影響。這導致復位閾值有一定的容差?；鶞孰妷汉碗娮柙椒€健，容差就越嚴格，閾值精度就越高。閾值精度通常以百分比表示。假設電壓監控器的閾值精度為±1%，閾值設置為3.3 V，那么實(shí)際閾值可能在3.267 V至3.333 V左右。

了解閾值精度非常重要，因為這對于設置復位閾值至關(guān)重要。如果在設置復位閾值時(shí)不考慮精度，系統可能會(huì )陷入不理想的故障區域。

復位閾值滯回

復位閾值滯回是指被監控的電壓回到正常區域后，取消復位信號所需的額外電壓。在監控欠壓的電壓監控器中，復位閾值滯回通常表示為 VHYST 或 VTH+HYS。滯回有多項益處。首先，它確保被監控的電壓回到正常水平，并且相對于閾值有一定的安全裕量。其次，它能讓電源在復位取消之前先穩定下來(lái)，從而有助于解決電源噪聲和不穩定性問(wèn)題。在沒(méi)有滯回的情況下，當被監控電壓超過(guò)閾值時(shí)，電壓監控器會(huì )反復發(fā)出或取消復位信號。這可能發(fā)生在有電源噪聲的應用中，或發(fā)生在電池供電的系統中，因為受內部電阻的影響，電壓會(huì )隨著(zhù)負載電流而下降。圖4中的紫色陰影區域顯示了一個(gè)例子。同時(shí)，由于存在滯回，復位輸出將使系統保持復位模式，直到電源穩定，從而消除系統的不穩定和振蕩行為，如圖4.4中的藍色陰影區域所示。

圖4. 有滯回和無(wú)滯回的復位輸出行為比較。

上電復位

在啟動(dòng)期間，當電源電壓開(kāi)始上升時(shí)，電壓監控器的內部電路沒(méi)有足夠的偏置。因此，復位輸出處于未定義狀態(tài)。隨著(zhù)電源電壓繼續上升，它將達到某一電壓供應水平，使電壓監控器脫離未定義狀態(tài)并發(fā)出有效的復位信號。讓監控器處于規定狀態(tài)并提供有效復位輸出的最小電源電壓稱(chēng)為上電復位電壓或 VPOR?？紤]圖3b中的電壓監控器簡(jiǎn)化示意圖。假設開(kāi)漏復位輸出上拉至 VCC，在未定義狀態(tài)下，復位輸出將反映電源電壓 VCC。這會(huì )在復位輸出中產(chǎn)生一個(gè)毛刺，稱(chēng)為上電毛刺。當電源電壓達到 VPOR時(shí)，監控器就會(huì )發(fā)出有效的復位輸出信號，如圖5所示。

圖5. 啟動(dòng)過(guò)程中的上電毛刺和上電復位電壓 VPOR。

在某些應用中，上電毛刺會(huì )被忽略且無(wú)關(guān)緊要，例如在高壓系統中。但是，對于某些應用來(lái)說(shuō)，例如在邏輯高電壓閾值較低的器件中，這是不可取的。

設計電壓監控器時(shí)，需要考慮的一個(gè)因素是復位輸出極性和時(shí)序。您可以根據應用選擇極性——低電平有效輸出或是高電平有效輸出。

低電平有效

低電平有效輸出意味著(zhù)，只要被監控電壓低于閾值電壓，復位輸出就會(huì )變?yōu)榈碗娖?。圖2中的時(shí)序圖顯示了具有低電平有效輸出的電壓監控器的響應。為了便于識別，低電平有效復位輸出標記為RESET（讀作RESET杠）。當被監控電壓上升到閾值電壓以上時(shí)，RESET輸出將在指定時(shí)間內保持有效，然后才會(huì )變?yōu)楦唠娖?。此時(shí)間延遲稱(chēng)為復位超時(shí)周期 (tRP)，它可以是固定時(shí)間，也可以通過(guò)外部電容調整。

高電平有效

根據輸出要求，系統可能需要高電平有效輸出。與低電平有效輸出相反，在高電平有效輸出中，當被監控電壓低于閾值時(shí)，復位輸出變?yōu)楦唠娖?；當被監控電壓在復位超時(shí)周期 tRP后上升到閾值電壓以上時(shí)，復位輸出變?yōu)榈碗娖?。圖解參見(jiàn)圖6。

圖6. 高電平有效復位輸出的VCC和復位信號的時(shí)序圖。

根據具體應用，需要考慮的另一個(gè)因素是輸出拓撲結構。主要使用兩種輸出拓撲結構——開(kāi)漏拓撲和推挽拓撲。

推挽輸出拓撲

推挽輸出拓撲由一對互補MOSFET組成，如圖7所示。當底部FET關(guān)斷且頂部FET導通時(shí)，復位輸出變?yōu)楦唠娖?；當底部FET導通且頂部FET關(guān)斷時(shí)，復位輸出變?yōu)榈碗娖?。推挽輸出提供從低電平到高電平、從高電平到低電平的幾乎軌到軌的高速響應?/p>

圖7. 推挽輸出拓撲。

低電平有效推挽復位輸出適用于大多數應用，但也可采用其他輸出類(lèi)型。如圖8所示，單電壓系統中的推挽輸出很簡(jiǎn)單，但多電壓系統中的推挽輸出需要更加留心，尤其是當微控制器只有一個(gè)復位輸入時(shí)。

圖8. 單電壓系統。

開(kāi)漏輸出拓撲

對于開(kāi)漏拓撲，監控電路的復位輸出是內部MOSFET的漏極。為了產(chǎn)生類(lèi)似圖3b所示的邏輯信號輸出，需要從復位連接一個(gè)外部上拉電阻到電源電壓。當MOSFET導通時(shí)，復位信號變?yōu)榈碗娖?；當MOSFET關(guān)斷時(shí)，復位信號變?yōu)楦唠娖?。上拉電阻可以連接到除監控電路電源之外的電壓軌。這對于需要不同于監控器電源電壓的復位電平的系統來(lái)說(shuō)非常有利。

開(kāi)漏輸出的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是“線(xiàn)或”功能。將兩個(gè)或多個(gè)監控電路的開(kāi)漏輸出連接到同一總線(xiàn)上，可以實(shí)現“負邏輯或”電路。這意味著(zhù)，當任何一個(gè)監控電路的復位輸出變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，總線(xiàn)為低電平。僅當所有復位輸出都是高電平時(shí)，總線(xiàn)才為高電平。如果想要監控多個(gè)電源，并在任何一個(gè)電源電壓下降時(shí)觸發(fā)復位，這種拓撲會(huì )很方便。

應用案例

圖9、10和11顯示了電壓監控器不同輸出拓撲和極性的一些典型應用案例。圖9顯示了一個(gè)應用開(kāi)漏拓撲的多電壓系統示例。在多電壓軌系統中，可以利用菊花鏈連接的低電平有效輸出來(lái)執行時(shí)序控制，如圖10a和10b所示。在某些應用中，正確的電源時(shí)序控制可能是首要的考慮因素之一。多軌系統（如基于FPGA的解決方案）通常需要并指定適當的電源時(shí)序，以防止出現系統故障和不穩定情況。圖11a和11b顯示了應用高電平有效輸出的示例。對于這些情況，高電平有效輸出用于使能或禁用高側MOSFET，以實(shí)現開(kāi)/關(guān)控制方案。此類(lèi)配置可用于過(guò)壓保護、低壓時(shí)序控制等電路。高側MOSFET也可使用電壓監控器的低電平有效輸出來(lái)驅動(dòng)。有關(guān)詳細信息，請參閱文章“利用低電平有效輸出驅動(dòng)高側MOSFET輸入開(kāi)關(guān)以實(shí)現系統功率循環(huán)?！?/p>

圖9. 多電壓系統共用一個(gè)微處理器復位輸入。

圖10. 使用低電平有效輸出(a)推挽拓撲和(b)開(kāi)漏拓撲的多軌時(shí)序控制

圖11. 高電平有效輸出極性的應用。(a)采用推挽拓撲的N溝道MOSFET低壓時(shí) 序控制。(b)采用開(kāi)漏拓撲的P溝道MOSFET過(guò)壓保護電路。

電壓監控器用于使能、禁用或復位另一個(gè)器件。監控器的常見(jiàn)應用是復位微控制器。監控器保護系統免受錯誤和故障的影響，從而提升應用的整體可靠性。設計時(shí)需要考慮電壓監控器的輸入、輸出和時(shí)序規格。監控器具有不同的輸出拓撲和極性，在不同的應用場(chǎng)景中可以發(fā)揮不同的優(yōu)勢，從而實(shí)現預期功能并提高系統可靠性。