【導(dǎo)讀】有經(jīng)驗的工程師都知道，系統(tǒng)最危險的時刻之一是通電的時候。根據(jù)時間常數(shù)以及電源軌達到標稱值的順利程度和速度，不同的 IC 和系統(tǒng)零件可能會開啟、鎖定或以不正確的模式開啟，因為這些器件試圖相互配合工作。面臨的更大挑戰(zhàn)是，上電時與時序和壓擺率相關(guān)的 IC 性能可能是溫度、相關(guān)電容器、機械應(yīng)力、老化和其他因素的函數(shù)。
當工作電壓軌下降至較低的個位數(shù)值時，就會加劇潛在的問題，從而減少在標稱電源軌下工作時的動態(tài)余量。所有這些因素都有可能造成開啟性能不一致和令人沮喪的調(diào)試過程。
因此，模擬 IC 供應(yīng)商設(shè)計出了專用監(jiān)管 IC，以消除上電時的不確定性和不一致性。本文將定義和描述毛刺問題，然后說明如何通過增加 Analog Devices 的一些小型專用 IC 來避免毛刺。
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：
● 信號或電源線路上的噪聲引起的尖峰
● 負載瞬態(tài)導(dǎo)致的突發(fā)性電源軌短暫下降
● 由于柵極驅(qū)動器的導(dǎo)通/關(guān)斷時間不同，電橋中的上、下MOSFET 意外同時導(dǎo)通時的微秒級時間段（這種情況非常糟糕）
● 由于時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、集成電路過渡到正常工作狀態(tài)的“上電”期間可能出現(xiàn)的毛刺，特別是在低電壓系統(tǒng)中。此類上電毛刺特別令人頭疼，因為它們可能導(dǎo)難以調(diào)試的間歇性問題，而且這些問題又沒有明顯的關(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、電源線容差（雖然仍在規(guī)格范圍內(nèi)）、同一設(shè)備批次中個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，來源于何處？我們來考慮具有微控制器和相關(guān)監(jiān)控/保護復(fù)位 IC 的系統(tǒng)，后者的作用簡單而集中：在上電、掉電和斷電情況下保持系統(tǒng)可靠運行（圖 1）。
圖 1：要了解毛刺來源，首先需要了解簡單的典型微控制器及其相關(guān)監(jiān)控/保護復(fù)位 IC 的布局，這兩者都由電池及各自的穩(wěn)壓器供電。（圖片來源：Analog Devices）
在典型的電池供電型應(yīng)用中，DC-DC 轉(zhuǎn)換器由小型低壓電池產(chǎn)生電源軌。監(jiān)控 IC 一般置于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和微控制器之間，用于監(jiān)測電源電壓并啟用或禁用微控制器。
監(jiān)控 IC 通過準確監(jiān)測系統(tǒng)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監(jiān)控 IC 的復(fù)位輸出引腳管理的。該引腳通常是開漏引腳，與一個10 kΩ 上拉電阻器相連接。該監(jiān)控 IC 可監(jiān)控電源電壓并在輸入電壓低于復(fù)位閾值時發(fā)出復(fù)位信號。
在受監(jiān)控電壓升高至其標稱電壓值的閾值后，復(fù)位輸出在復(fù)位超時周期內(nèi)保持有效，然后解除。這樣，目標微控制器就可擺脫復(fù)位狀態(tài)并開始工作。
但是，在監(jiān)控 IC 開啟并將復(fù)位線路拉低之前，復(fù)位線路會發(fā)生什么？我們仔細觀察典型的上電順序就能找到答案（圖 2）。當電源軌 VCC 開始上電時，微控制器和監(jiān)管 IC 都處于斷開狀態(tài)。因此，復(fù)位線路處于浮動狀態(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(fù)位線路處于浮動狀態(tài)，所以其電壓可跟蹤電源軌 VCC 的上升情況。（圖片來源：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(tǒng)不穩(wěn)定。只要監(jiān)控 IC 啟動，復(fù)位線路就被下拉，從而防止微控制器意外啟動。這種毛刺是所有前幾代監(jiān)控 IC的共性問題。
低電壓系統(tǒng)將該問題放大
隨著在越來越低的電壓下工作的低功耗設(shè)備日趨增多，這種毛刺也就變成了主要問題。我們來考慮具有 3.3 V、2.5 V 和 1.8 V 三個邏輯電平的系統(tǒng)（圖 3）。對于 3.3 V 系統(tǒng)，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 時出現(xiàn)毛刺，將有可能由于開啟和關(guān)閉操作導(dǎo)致處理器變得不穩(wěn)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。（圖片來源：Analog Devices）
標稱 1.8 V 系統(tǒng)的情況更為敏感?，F(xiàn)在，Vol和 Vil 要低得多，分別為 0.45 V 和 0.63 V。在這個系統(tǒng)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(tǒng)運行時，這種情況將如何發(fā)展？我們來考慮一下電源電壓 VDD 緩慢上升到 0.9 V，并在該值處保持一小段時間（圖 4）。雖然這個電壓不足以開啟監(jiān)控 IC，但仍可能開啟微控制器，并使其在不穩(wěn)定狀態(tài)下運行。由于在 0.9 V 時處于不確定狀態(tài)，所以微控制器 RESET 輸入會將毛刺解釋為邏輯 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，微控制器可能會不穩(wěn)定地開啟和關(guān)斷。（圖片來源：Analog Devices）
這將導(dǎo)致微控制器只執(zhí)行部分指令或不能完整地寫入存儲器，這僅僅是可能發(fā)生的兩種情況，但可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障和出現(xiàn)災(zāi)難性后果。
解決毛刺問題
克服這個問題并不需要恢復(fù)到更高的電壓軌，也不需要采用復(fù)雜的系統(tǒng)級架構(gòu)來消除毛刺或?qū)⑵溆绊懡档阶畹?。相反，我們需要新一代監(jiān)控 IC，無論在上電或斷電條件下的電壓水平如何，都可以識別問題的獨特方面并防止出現(xiàn)毛刺。
實現(xiàn)這一目的需要采用專有的電路和 IC，如 MAX16162，這是一款具有無毛刺上電功能的毫微功耗電源監(jiān)控器。有了這款采用四凸點 WLP 和四引腳 SOT23 封裝的小型 IC，只要 VDD 低于閾值電壓，復(fù)位輸出就會保持低電平，從而防止復(fù)位線路上出現(xiàn)電壓毛刺。一旦達到電壓閾值并且延遲時間結(jié)束，復(fù)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 就會保持復(fù)位輸出為低電平，以防復(fù)位線路上出現(xiàn)電壓毛刺。（圖片來源：Analog Devices）
不同于傳統(tǒng)監(jiān)控 IC 在 VCC 非常低時無法控制復(fù)位輸出狀態(tài)，MAX16162 的復(fù)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(guī)格幾乎相同，但存在一個功能差異且前者對一些引腳布局進行了重新定義（圖 6）。該器件配備了手動復(fù)位 (MR) 輸入，會在接收到適當?shù)妮斎胄盘枙r發(fā)出復(fù)位信號。根據(jù)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 類似，但在功能和引腳方面有個小區(qū)別：MAX16161 配備 MR 輸入，會在收到適當?shù)妮斎胄盘枙r，發(fā)出復(fù)位信號，而 MAX16162 則有單獨的 VCC 和 VIN 引腳。（圖片來源：Analog Devices）
定序器與監(jiān)控器之對比
另一對存在一些重疊和歧義的術(shù)語是定序器和監(jiān)控器。監(jiān)控器用來監(jiān)控單個電源電壓，并在規(guī)定條件下斷言復(fù)位/釋放復(fù)位。與此相反，定序器用來協(xié)調(diào)兩個或多個電源軌之間的相對復(fù)位和 “電源良好”斷言。
MAX16161 和 MAX16162 可用作簡單的電源定序器（圖 7）。在第一個穩(wěn)壓器的輸出電壓變?yōu)橛行Ш?，MAX16161/MAX16162 會插入一個延遲，并在復(fù)位超期后為第二個穩(wěn)壓器生成使能信號。由于 MAX16161/MAX16162 在電源電壓變?yōu)檎_值之前永遠不會取消復(fù)位，因此受控電源永遠不會被錯誤地啟用。
圖 7：可以對使用 MAX16161 的電路進行配置，這樣該器件不僅可以確保無毛刺上電，還可以管理兩個電源軌之間的電源軌定序。（圖片來源：Analog Devices）
也有許多設(shè)計具有多電源軌和更復(fù)雜的定序要求。此時，Analog Devices 的 LTC2928 多通道電源定序器和監(jiān)控器便是一種解決方案（圖 8）。
圖 8：LTC2928 電源定序器管理四個獨立電源軌之間的上電和掉電順序，并使用戶能夠控制關(guān)鍵參數(shù)。（圖片來源：Analog Devices）
采用這款四通道級聯(lián)電源定序器和高精度監(jiān)控器，設(shè)計者只需幾個外部元件就能配置電源管理定序閾值、順序和時間。該器件能夠確保電源軌按所需的順序啟用。除了開機定序外，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。其他監(jiān)控功能包括欠壓和過壓監(jiān)測及報告，以及生成微處理器復(fù)位。報告故障的類型和來源，用于進行診斷。提供單個通道控制功能，以便獨立執(zhí)行使能輸出和監(jiān)控功能。對于具有四個以上電源軌的系統(tǒng)，可很容易地連接多個 LTC2928，為無限個電源定序。
結(jié)語
每個應(yīng)用中都有毛刺，但到目前為止這些毛刺還沒有對占主導(dǎo)地位的高電壓應(yīng)用帶來嚴重問題?，F(xiàn)在，電源電壓正在走低，系統(tǒng)開啟可靠性會由于 0.9 V 電壓毛刺而會降低。
如圖所示，設(shè)計者可以利用較新的監(jiān)管 IC 來提高可靠性。這種 IC 實現(xiàn)了無毛刺運行，為低功耗/低電壓應(yīng)用提供最大限度的系統(tǒng)保護。
來源：Bill Schweber，DigiKey
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