【導讀】有經(jīng)驗的工程師都知道，系統最危險的時(shí)刻之一是通電的時(shí)候。根據時(shí)間常數以及電源軌達到標稱(chēng)值的順利程度和速度，不同的 IC 和系統零件可能會(huì )開(kāi)啟、鎖定或以不正確的模式開(kāi)啟，因為這些器件試圖相互配合工作。面臨的更大挑戰是，上電時(shí)與時(shí)序和壓擺率相關(guān)的 IC 性能可能是溫度、相關(guān)電容器、機械應力、老化和其他因素的函數。
當工作電壓軌下降至較低的個(gè)位數值時(shí)，就會(huì )加劇潛在的問(wèn)題，從而減少在標稱(chēng)電源軌下工作時(shí)的動(dòng)態(tài)余量。所有這些因素都有可能造成開(kāi)啟性能不一致和令人沮喪的調試過(guò)程。
因此，模擬 IC 供應商設計出了專(zhuān)用監管 IC，以消除上電時(shí)的不確定性和不一致性。本文將定義和描述毛刺問(wèn)題，然后說(shuō)明如何通過(guò)增加 Analog Devices 的一些小型專(zhuān)用 IC 來(lái)避免毛刺。
什么是毛刺？
與諸如“緩沖器”或“可編程”等許多工程術(shù)語(yǔ)一樣，“毛刺”的具體含義也是視上下文而定的。毛刺可能是：
● 信號或電源線(xiàn)路上的噪聲引起的尖峰
● 負載瞬態(tài)導致的突發(fā)性電源軌短暫下降
● 由于柵極驅動(dòng)器的導通/關(guān)斷時(shí)間不同，電橋中的上、下MOSFET 意外同時(shí)導通時(shí)的微秒級時(shí)間段（這種情況非常糟糕）
● 由于時(shí)序容差和組件之間的差異造成的瞬間不確定信號和競爭情況
本文將探討在接通電源、集成電路過(guò)渡到正常工作狀態(tài)的“上電”期間可能出現的毛刺，特別是在低電壓系統中。此類(lèi)上電毛刺特別令人頭疼，因為它們可能導難以調試的間歇性問(wèn)題，而且這些問(wèn)題又沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)性或一致性。由于毛刺誘發(fā)條件往往是“在邊緣”，它們的發(fā)生可能隨溫度、電源線(xiàn)容差（雖然仍在規格范圍內）、同一設備批次中個(gè)別元件的變化以及其他難以確定的因素而發(fā)生變化。
什么是毛刺，來(lái)源于何處？我們來(lái)考慮具有微控制器和相關(guān)監控/保護復位 IC 的系統，后者的作用簡(jiǎn)單而集中：在上電、掉電和斷電情況下保持系統可靠運行（圖 1）。
圖 1：要了解毛刺來(lái)源，首先需要了解簡(jiǎn)單的典型微控制器及其相關(guān)監控/保護復位 IC 的布局，這兩者都由電池及各自的穩壓器供電。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
在典型的電池供電型應用中，DC-DC 轉換器由小型低壓電池產(chǎn)生電源軌。監控 IC 一般置于 DC-DC 轉換器和微控制器之間，用于監測電源電壓并啟用或禁用微控制器。
監控 IC 通過(guò)準確監測系統電源，然后斷言微控制器的使能輸入或取消其斷言，以確保運行可靠。微控制器的啟用和禁用是通過(guò)監控 IC 的復位輸出引腳管理的。該引腳通常是開(kāi)漏引腳，與一個(gè)10 kΩ 上拉電阻器相連接。該監控 IC 可監控電源電壓并在輸入電壓低于復位閾值時(shí)發(fā)出復位信號。
在受監控電壓升高至其標稱(chēng)電壓值的閾值后，復位輸出在復位超時(shí)周期內保持有效，然后解除。這樣，目標微控制器就可擺脫復位狀態(tài)并開(kāi)始工作。
但是，在監控 IC 開(kāi)啟并將復位線(xiàn)路拉低之前，復位線(xiàn)路會(huì )發(fā)生什么？我們仔細觀(guān)察典型的上電順序就能找到答案（圖 2）。當電源軌 VCC 開(kāi)始上電時(shí)，微控制器和監管 IC 都處于斷開(kāi)狀態(tài)。因此，復位線(xiàn)路處于浮動(dòng)狀態(tài)，10 kΩ 上拉電阻使其電壓跟蹤 VCC。
圖 2：在典型上電序列中，復位線(xiàn)路處于浮動(dòng)狀態(tài)，所以其電壓可跟蹤電源軌 VCC 的上升情況。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
這種電壓上升可能在 0.5 V 至 0.9 V 之間，且有可能造成系統不穩定。只要監控 IC 啟動(dòng)，復位線(xiàn)路就被下拉，從而防止微控制器意外啟動(dòng)。這種毛刺是所有前幾代監控 IC的共性問(wèn)題。
低電壓系統將該問(wèn)題放大
隨著(zhù)在越來(lái)越低的電壓下工作的低功耗設備日趨增多，這種毛刺也就變成了主要問(wèn)題。我們來(lái)考慮具有 3.3 V、2.5 V 和 1.8 V 三個(gè)邏輯電平的系統（圖 3）。對于 3.3 V 系統，輸出低壓閾值 (Vol) 和輸入低壓閾值 (Vil) 在 0.4 V 和 0.8 V 之間。如果在 0.9 V 時(shí)出現毛刺，將有可能由于開(kāi)啟和關(guān)閉操作導致處理器變得不穩定。
圖 3：邏輯電平從 3.3 V 降至 1.8 V，相關(guān)的電壓閾值也是如此。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
標稱(chēng) 1.8 V 系統的情況更為敏感?，F在，Vol和 Vil 要低得多，分別為 0.45 V 和 0.63 V。在這個(gè)系統中，0.9 V 毛刺代表了更大的百分比，使其有更大的潛在錯誤。
毛刺影響了系統運行時(shí)，這種情況將如何發(fā)展？我們來(lái)考慮一下電源電壓 VDD 緩慢上升到 0.9 V，并在該值處保持一小段時(shí)間（圖 4）。雖然這個(gè)電壓不足以開(kāi)啟監控 IC，但仍可能開(kāi)啟微控制器，并使其在不穩定狀態(tài)下運行。由于在 0.9 V 時(shí)處于不確定狀態(tài)，所以微控制器 RESET 輸入會(huì )將毛刺解釋為邏輯 1 或 0，從而錯誤地將其啟用或禁用。
圖 4：當電源電壓 VDD 上升至 0.9 V 并保持時(shí)，微控制器可能會(huì )不穩定地開(kāi)啟和關(guān)斷。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
這將導致微控制器只執行部分指令或不能完整地寫(xiě)入存儲器，這僅僅是可能發(fā)生的兩種情況，但可能導致系統故障和出現災難性后果。
解決毛刺問(wèn)題
克服這個(gè)問(wèn)題并不需要恢復到更高的電壓軌，也不需要采用復雜的系統級架構來(lái)消除毛刺或將其影響降到最低。相反，我們需要新一代監控 IC，無(wú)論在上電或斷電條件下的電壓水平如何，都可以識別問(wèn)題的獨特方面并防止出現毛刺。
實(shí)現這一目的需要采用專(zhuān)有的電路和 IC，如 MAX16162，這是一款具有無(wú)毛刺上電功能的毫微功耗電源監控器。有了這款采用四凸點(diǎn) WLP 和四引腳 SOT23 封裝的小型 IC，只要 VDD 低于閾值電壓，復位輸出就會(huì )保持低電平，從而防止復位線(xiàn)路上出現電壓毛刺。一旦達到電壓閾值并且延遲時(shí)間結束，復位輸出就取消斷言并啟用微控制器（圖 5）。
圖 5：只要 VDD 低于閾值電壓，MAX16162 就會(huì )保持復位輸出為低電平，以防復位線(xiàn)路上出現電壓毛刺。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
不同于傳統監控 IC 在 VCC 非常低時(shí)無(wú)法控制復位輸出狀態(tài)，MAX16162 的復位輸出保證在達到有效的 VCC 水平之前一直保持斷言狀態(tài)。
MAX16161 是 MAX16162 的近親，規格幾乎相同，但存在一個(gè)功能差異且前者對一些引腳布局進(jìn)行了重新定義（圖 6）。該器件配備了手動(dòng)復位 (MR) 輸入，會(huì )在接收到適當的輸入信號時(shí)發(fā)出復位信號。根據具體選擇，該信號可以是低電平有效或高電平有效信號。相比之下，MAX16162 沒(méi)有 MR 輸入，而是配備獨立的 VCC 和 VIN 的引腳，允許閾值電壓低至 0.6 V。
圖 6：MAX16161 和 MAX16162 類(lèi)似，但在功能和引腳方面有個(gè)小區別：MAX16161 配備 MR 輸入，會(huì )在收到適當的輸入信號時(shí)，發(fā)出復位信號，而 MAX16162 則有單獨的 VCC 和 VIN 引腳。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
定序器與監控器之對比
另一對存在一些重疊和歧義的術(shù)語(yǔ)是定序器和監控器。監控器用來(lái)監控單個(gè)電源電壓，并在規定條件下斷言復位/釋放復位。與此相反，定序器用來(lái)協(xié)調兩個(gè)或多個(gè)電源軌之間的相對復位和 “電源良好”斷言。
MAX16161 和 MAX16162 可用作簡(jiǎn)單的電源定序器（圖 7）。在第一個(gè)穩壓器的輸出電壓變?yōu)橛行Ш?，MAX16161/MAX16162 會(huì )插入一個(gè)延遲，并在復位超期后為第二個(gè)穩壓器生成使能信號。由于 MAX16161/MAX16162 在電源電壓變?yōu)檎_值之前永遠不會(huì )取消復位，因此受控電源永遠不會(huì )被錯誤地啟用。
圖 7：可以對使用 MAX16161 的電路進(jìn)行配置，這樣該器件不僅可以確保無(wú)毛刺上電，還可以管理兩個(gè)電源軌之間的電源軌定序。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
也有許多設計具有多電源軌和更復雜的定序要求。此時(shí)，Analog Devices 的 LTC2928 多通道電源定序器和監控器便是一種解決方案（圖 8）。
圖 8：LTC2928 電源定序器管理四個(gè)獨立電源軌之間的上電和掉電順序，并使用戶(hù)能夠控制關(guān)鍵參數。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
采用這款四通道級聯(lián)電源定序器和高精度監控器，設計者只需幾個(gè)外部元件就能配置電源管理定序閾值、順序和時(shí)間。該器件能夠確保電源軌按所需的順序啟用。除了開(kāi)機定序外，該器件還可以管理互補的、通常同樣關(guān)鍵的斷電定序。
定序輸出用于控制電源使能引腳或 N 溝道傳輸門(mén)。其他監控功能包括欠壓和過(guò)壓監測及報告，以及生成微處理器復位。報告故障的類(lèi)型和來(lái)源，用于進(jìn)行診斷。提供單個(gè)通道控制功能，以便獨立執行使能輸出和監控功能。對于具有四個(gè)以上電源軌的系統，可很容易地連接多個(gè) LTC2928，為無(wú)限個(gè)電源定序。
結語(yǔ)
每個(gè)應用中都有毛刺，但到目前為止這些毛刺還沒(méi)有對占主導地位的高電壓應用帶來(lái)嚴重問(wèn)題?，F在，電源電壓正在走低，系統開(kāi)啟可靠性會(huì )由于 0.9 V 電壓毛刺而會(huì )降低。
如圖所示，設計者可以利用較新的監管 IC 來(lái)提高可靠性。這種 IC 實(shí)現了無(wú)毛刺運行，為低功耗/低電壓應用提供最大限度的系統保護。
來(lái)源：Bill Schweber，DigiKey
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