電壓監(jiān)控器如何解決電源噪聲和毛刺問題

摘要

電壓監(jiān)控器通過監(jiān)控電源，在電源發(fā)生故障時(shí)將微控制器置于復(fù)位模式，可防止系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤和故障，從而提高基于微控制器系統(tǒng)的可靠性。然而，噪聲、電壓毛刺和瞬變等電源缺陷都可能會(huì)導(dǎo)致誤復(fù)位問題，從而影響系統(tǒng)行為。本文介紹電壓監(jiān)控器如何解決可能觸發(fā)誤復(fù)位的因素，以提高系統(tǒng)性能和可靠性。

簡(jiǎn)介

對(duì)于需要使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器和微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和處理的應(yīng)用，都必須確保各器件能夠安全可靠地運(yùn)行。由于這些器件只能在一定的電源容差范圍內(nèi)運(yùn)行，因此對(duì)電源的要求很高。1電壓監(jiān)控器可用于保持系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。當(dāng)電源出現(xiàn)意外故障（例如欠壓或過壓）時(shí)，電壓監(jiān)控器可立即觸發(fā)操作，將系統(tǒng)置于重置模式。然而，它在監(jiān)控電源軌中的電壓時(shí)也會(huì)面對(duì)一些干擾因素，這可能會(huì)觸發(fā)不必要的誤復(fù)位輸出。這些干擾包括電源噪聲、電壓瞬變和可能來自電源電路本身的毛刺。

本文將討論電壓監(jiān)控器中有助于解決這些電源噪聲、電壓瞬變和毛刺問題的不同參數(shù)。此外還將討論這些參數(shù)在監(jiān)控電源時(shí)如何提高電壓監(jiān)控器的可靠性，以提高系統(tǒng)在應(yīng)用中的可靠性。

系統(tǒng)中的電源噪聲、電壓瞬變和毛刺

電源本身存在缺陷。直流電路中始終存在耦合的噪聲偽影，這些偽影可能來自電源電路元件本身、其他電源的噪聲以及系統(tǒng)產(chǎn)生的其他噪聲。如果直流電源是開關(guān)電源(SMPS)，這些問題可能會(huì)更嚴(yán)重。SMPS會(huì)產(chǎn)生與開關(guān)頻率相關(guān)的開關(guān)紋波。在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間還會(huì)發(fā)生高頻開關(guān)瞬變。這些開關(guān)轉(zhuǎn)換操作是功率MOSFET的快速導(dǎo)通關(guān)斷引起的。圖1所示為應(yīng)用電路，其中MAX705監(jiān)控器用于監(jiān)控開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出（即微控制器的電壓源）是否存在任何問題。

圖1.MAX705監(jiān)控器用于監(jiān)控開關(guān)穩(wěn)壓器輸出，這也是微控制器的輸入電壓源。

除了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行噪聲偽影外，電源中還存在電壓瞬變更為明顯的情況。在啟動(dòng)過程中，通常會(huì)觀察到與電源反饋環(huán)路響應(yīng)相關(guān)的電壓輸出過沖，隨后會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的電壓振鈴，直至電壓穩(wěn)定。如果未對(duì)反饋環(huán)路補(bǔ)償值進(jìn)行優(yōu)化，這種振鈴可能會(huì)更嚴(yán)重。在瞬態(tài)或動(dòng)態(tài)負(fù)載期間也可以觀察到電壓過沖和欠沖。在具體應(yīng)用中，有時(shí)負(fù)載需要更多電流來執(zhí)行復(fù)雜的過程，從而導(dǎo)致電壓欠沖。另一方面，立即或以快速斜坡速率減少負(fù)載將會(huì)導(dǎo)致電壓過沖。由于外部因素，電源也可能出現(xiàn)短時(shí)電壓毛刺。圖2顯示在不同場(chǎng)景下，電源電壓可能出現(xiàn)不同的電壓瞬變和毛刺。

圖2.針對(duì)不同場(chǎng)景下的電源電壓可觀察到的電壓瞬變和毛刺。

系統(tǒng)中還可能會(huì)出現(xiàn)與電源電壓無關(guān)的電壓瞬變，例如在某些應(yīng)用的機(jī)械開關(guān)或?qū)щ娍ǖ扔脩艚缑姘l(fā)生瞬變。打開和關(guān)閉開關(guān)會(huì)在輸入引腳（通常是手動(dòng)復(fù)位引腳）上產(chǎn)生電壓瞬變和噪聲。所有這些因素（電源噪聲、電壓瞬變和毛刺）都可能無意中達(dá)到監(jiān)控器的欠壓或過壓閾值，如果設(shè)計(jì)中沒有充分考慮這種可能性，也會(huì)觸發(fā)誤復(fù)位。這可能會(huì)導(dǎo)致振蕩和不穩(wěn)定，不利于系統(tǒng)保持穩(wěn)定可靠。

電壓監(jiān)控器如何解決噪聲和瞬變問題，防止系統(tǒng)出現(xiàn)誤復(fù)位？通過一些參數(shù)，可以幫助屏蔽與電源或監(jiān)控電壓相關(guān)的瞬變。這些參數(shù)包括復(fù)位超時(shí)周期、復(fù)位閾值遲滯以及復(fù)位閾值過驅(qū)與持續(xù)時(shí)間的變化關(guān)系。同時(shí)，對(duì)于與電路中的機(jī)械觸點(diǎn)相關(guān)的瞬變，例如手動(dòng)復(fù)位引腳中的按鈕開關(guān)，利用手動(dòng)復(fù)位設(shè)置周期和去抖時(shí)間也可屏蔽瞬變。這些參數(shù)能夠使電壓監(jiān)控器更穩(wěn)健，不受瞬變和毛刺的影響，從而防止系統(tǒng)出現(xiàn)不良響應(yīng)。

復(fù)位超時(shí)周期(tRP)

在啟動(dòng)期間或電源電壓因欠壓事件而上升并超過閾值時(shí)，復(fù)位信號(hào)在無效之前有一段額外的時(shí)間，稱為復(fù)位超時(shí)周期(tRP)。2例如，圖3顯示，受監(jiān)控的電壓（本例中為標(biāo)記為VCC的電源電壓）從欠壓或啟動(dòng)狀態(tài)達(dá)到閾值之后，在低電平有效復(fù)位高電平無效之前存在額外延遲。這段額外的時(shí)間能夠讓監(jiān)控電壓先穩(wěn)定下來，并在啟用系統(tǒng)或使其退出復(fù)位模式之前屏蔽過沖和振鈴。復(fù)位超時(shí)周期可抑制系統(tǒng)誤復(fù)位，防止出現(xiàn)振蕩和潛在故障，從而有助于提高系統(tǒng)的可靠性。

圖3.復(fù)位超時(shí)周期(tRP)有助于在電源電壓穩(wěn)定時(shí)使系統(tǒng)保持復(fù)位模式。

閾值遲滯(VTH+)

閾值遲滯主要有兩個(gè)好處。首先，它可以確保監(jiān)控電壓在解除復(fù)位之前具有足夠的余量超過閾值電平。其次，它能夠讓電源在解除復(fù)位之前先穩(wěn)定下來。當(dāng)處理具有疊加噪聲的信號(hào)時(shí)，隨著電源波動(dòng)并重新跨越閾值區(qū)域，復(fù)位輸出有可能會(huì)進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換。如圖4.3所示，在工業(yè)環(huán)境等應(yīng)用中，隨時(shí)可能出現(xiàn)噪聲信號(hào)和電壓波動(dòng)。如果沒有閾值遲滯，復(fù)位輸出信號(hào)將會(huì)在置位和解除置位之間連續(xù)切換，直到電源穩(wěn)定為止。這會(huì)使系統(tǒng)陷入振蕩。閾值遲滯通過使系統(tǒng)保持復(fù)位來消除振蕩，可防止系統(tǒng)出現(xiàn)圖4中藍(lán)色陰影區(qū)域所示的不良行為。這有助于監(jiān)控器保護(hù)系統(tǒng)，避免觸發(fā)誤復(fù)位。

圖4.未設(shè)定閾值遲滯和設(shè)定閾值遲滯的RESET輸出響應(yīng)（未顯示復(fù)位超時(shí)周期，以重點(diǎn)關(guān)注遲滯的影響）。

復(fù)位閾值過驅(qū)與持續(xù)時(shí)間

任何系統(tǒng)中都可能出現(xiàn)短期或長(zhǎng)期由外部因素引起的電壓毛刺。還可能具有不同幅度的電壓突降。復(fù)位閾值過驅(qū)與瞬變持續(xù)時(shí)間的變化關(guān)系與電壓毛刺或過驅(qū)的幅度和持續(xù)時(shí)間有關(guān)。幅度較大的短時(shí)毛刺不會(huì)觸發(fā)復(fù)位信號(hào)置位，而幅度較小且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的過驅(qū)將觸發(fā)復(fù)位，如圖5所示。

圖5.幅度較小但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的毛刺將觸發(fā)復(fù)位信號(hào)，而幅度較大的短時(shí)毛刺則不會(huì)觸發(fā)復(fù)位信號(hào)。

根據(jù)毛刺持續(xù)時(shí)間，受監(jiān)控電源中的某些電壓瞬變將會(huì)忽略。忽略這些瞬變將會(huì)保護(hù)系統(tǒng)免受干擾復(fù)位的影響，例如由短期毛刺引起的復(fù)位。這些毛刺可能會(huì)誤觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位，從而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不良行為。在產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中，復(fù)位閾值過驅(qū)與持續(xù)時(shí)間的關(guān)系通常以一個(gè)典型性能特性圖的形式呈現(xiàn)，如圖6所示。曲線上方的任何值都將觸發(fā)復(fù)位輸出，而曲線內(nèi)的值將會(huì)忽略，以防止系統(tǒng)誤復(fù)位。

圖6.復(fù)位信號(hào)是否置位將取決于過驅(qū)的幅度及其持續(xù)時(shí)間。

手動(dòng)復(fù)位設(shè)置周期(tMR)和去抖時(shí)間(tDB)

復(fù)位超時(shí)周期、閾值過驅(qū)與持續(xù)時(shí)間的關(guān)系以及閾值遲滯可解決與受監(jiān)控電壓（通常是系統(tǒng)微控制器的電源）相關(guān)的電壓毛刺和瞬變問題。對(duì)于開關(guān)等機(jī)械觸點(diǎn)帶來的毛刺，手動(dòng)復(fù)位設(shè)置周期和去抖時(shí)間有助于減輕電壓瞬變和毛刺可能產(chǎn)生的影響。

手動(dòng)復(fù)位設(shè)置周期(tMR)是手動(dòng)復(fù)位在觸發(fā)復(fù)位輸出之前保持并完成所需的時(shí)間。一些監(jiān)控器具有較長(zhǎng)的手動(dòng)復(fù)位設(shè)置周期，以增強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)。這些在消費(fèi)電子產(chǎn)品中很常見，必需按住按鈕幾秒鐘才能重置系統(tǒng)。這種方法可避免意外和無意中重置，從而增強(qiáng)保護(hù)并提高可靠性。在手動(dòng)復(fù)位設(shè)置期間，按下開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的所有短時(shí)瞬變和毛刺都會(huì)被忽略，如圖7a所示，從而幫助系統(tǒng)免受毛刺影響。

去抖時(shí)間也是同樣的邏輯。與建立周期一樣，去抖時(shí)間(tDB)會(huì)忽略打開或關(guān)閉開關(guān)時(shí)的高頻周期性電壓瞬變。這些高頻瞬變將視為無效，不會(huì)觸發(fā)復(fù)位，如圖7b所示。當(dāng)信號(hào)超過去抖時(shí)間時(shí)，即認(rèn)為這是來自開關(guān)或按鈕的有效輸入信號(hào)。

圖7.具有較長(zhǎng)手動(dòng)復(fù)位設(shè)置周期的監(jiān)控器(MAX6444)的手動(dòng)復(fù)位設(shè)置周期和去抖時(shí)間圖：(a)在復(fù)位信號(hào)有效之前，需要首先完成手動(dòng)復(fù)位建立周期(tMR)；(b)要視為有效輸入信號(hào)，需要完成去抖時(shí)間(tDB)。

結(jié)論

如果沒有電壓監(jiān)控器，系統(tǒng)在電壓瞬變和毛刺期間就會(huì)面臨斷電和發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。在這些情況下，電壓監(jiān)控器通過將處理器置于復(fù)位模式來解決問題。上面討論的所有參數(shù)（包括復(fù)位超時(shí)周期、閾值遲滯、閾值過驅(qū)、手動(dòng)復(fù)位設(shè)置周期和去抖時(shí)間）有助于電壓監(jiān)控器免受故障和瞬變的影響，從而增強(qiáng)其監(jiān)控電源電壓的可靠性。因此，能夠確保整體系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。