如何實現(xiàn)電壓監(jiān)控的四種方法
為什么監(jiān)控電壓很重要?我們知道監(jiān)控電壓軌可以幫助我們防止掉電、檢測過壓事件、測量電池電量并幫助我們實施整體診斷策略。本文將介紹如何實施電壓監(jiān)控。有四種關(guān)鍵方法:
1.電阻分壓器
這也許是最簡單的電壓監(jiān)測方法。將電壓除以特定因子可用作防止欠壓運行的一種方法(參見圖 1)。
圖 1:使用電阻分壓器禁用穩(wěn)壓器
此方法取決于受監(jiān)控集成電路 (IC) 的啟用特性。如果 IC 的啟用電壓范圍很寬,則不清楚我們的電阻器應該是什么電阻值。表 1 代表一個示例。當使能引腳上施加的電壓介于 0.4V 和 0.9V 之間時,穩(wěn)壓器將禁用。在如此寬的范圍內(nèi),我們必須將閾值電壓設(shè)計為 0.4V 以保證禁用。
表 1:LDO 的電壓使能特性
一些設(shè)備,如LM1771,包含“精確啟用”。精密啟用縮小了啟用和禁用電壓范圍,如圖 2 所示。這消除了前面示例中的大部分灰色區(qū)域,并使電阻分壓器的閾值電壓更加精確。
圖 2:精密電壓使能特性
但是,使用電阻分壓器有一些缺點。除了使能電壓范圍不準確之外,電阻分壓器不提供遲滯功能。結(jié)果,在閾值電壓附近振蕩的分壓以不希望的方式啟用和禁用IC。
電阻值對于電流消耗很重要。電阻值的大小必須足夠小,以允許適當?shù)碾娏髁縼眚?qū)動使能。這種情況禁止將電阻器調(diào)整為足夠大的值,而泄漏可以忽略不計。此外,泄漏是恒定的,這對于電池供電的系統(tǒng)來說可能是一個問題。
的優(yōu)點和缺點
· 優(yōu)點:成本低,簡單。
· 缺點:沒有滯后,可能不準確,持續(xù)泄漏。
· 底線:這種技術(shù)是電壓監(jiān)測的基本方法。它效率低,可能不準確,但完成了欠壓保護的基本任務。
2.比較器和參考電壓
圖 3 所示電路提供與簡單復位 IC 相同的基本功能。(詳細信息在 TI Design 參考設(shè)計TIDP144中進行了簡明扼要的表述。)與復位 IC 一樣,它可以準確地監(jiān)控電壓并在超過某個閾值時標記輸出。與復位 IC 不同,它需要外部參考和電阻器。外部組件會影響閾值電壓和遲滯,因為它們的容差必須考慮到操作中。(與單片集成這些組件的復位 IC 不同,分立式解決方案無法通過修整來獲得更高的精度。)
圖 3:將比較器與參考電壓相結(jié)合以檢測電壓
此外,各種外部組件將增加整體解決方案的尺寸是理所當然的。
的優(yōu)點和缺點
· 優(yōu)點:設(shè)計簡單,包括滯后。
· 缺點:更大的解決方案尺寸,可能不準確,需要外部電壓基準,恒定泄漏,需要電阻。
· 底線:如果空間或精度不是問題,這是復位 IC 的替代品??紤]到外部元件的數(shù)量,成本可能高于復位 IC。
3. 板載模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)
許多處理器都配備了專用于電壓監(jiān)控的 ADC。這似乎是一個直觀的選擇,尤其是當頻道可用時。一個輸入/輸出 (I/O) 可以監(jiān)控電壓軌,另一個 I/O 可以標記復位。這種方法很有吸引力,因為電壓監(jiān)測實際上是“免費的”。
但是,有兩個缺點。首先,電流消耗要高得多。ADC 在活動時通常消耗約 100μA。這很容易使復位 IC 的電流消耗減少 100 倍以上。其次,這種方法除了 ADC 通道外,還需要使用一個或兩個 I/O。當 I/O 或 ADC 通道供不應求時,這可能會出現(xiàn)問題。
的優(yōu)點和缺點
· 優(yōu)點: “免費”電壓監(jiān)測器,準確。
· 缺點:需要 ADC,效率較低,占用 I/O。
· 底線:如果我們不使用 ADC 通道并且功耗不是問題,則可以選擇這種類型的電壓監(jiān)控。但是,它確實用盡了通用 I/O (GPIO)。
4.復位IC
這種單片解決方案在功耗、尺寸和精度方面優(yōu)化了電壓監(jiān)控。它檢測欠壓事件并相應地觸發(fā)一個標志。TI 的最低功耗 12V 監(jiān)控器 TPS3847等復位 IC僅消耗 380nA 的電源電流,如圖 4 所示。復位 IC 的小尺寸也是有益的。TPS3839電壓監(jiān)視器采用微型 1mm x 1mm 小外形無引線 (SON) 封裝。為了檢測有效的欠壓事件,復位 IC 需要高閾值精度。某些器件(如TPS3701)在整個溫度范圍內(nèi)的準確度為 0.75%。
圖 4:TPS3847 監(jiān)控 12V 電源軌是否發(fā)生欠壓事件
復位 IC 有時包含其他功能,例如過壓檢測、看門狗定時器和備用電池切換。
的優(yōu)點和缺點
· 優(yōu)點:體積小、功耗低、簡單、準確、價格實惠。
· 缺點:額外的芯片與板載 ADC。
· 底線:此方法是最簡單的電壓監(jiān)控解決方案。它針對低功耗和高精度進行了最優(yōu)化。
我希望這對在我們的應用程序、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)、數(shù)字信號處理器 (DSP) 和處理器上實施電壓監(jiān)控的四種方法具有建設(shè)性的洞察力。