高可靠性系统中的电源电压监控和排序

本应用笔记重点介绍在高可靠性系统中正确监测和排序电压的必要性。它介绍了选择监控器的关键选择标准，并解释了上电复位（POR）电路、多电压监控和裕量调节的必要性。讨论了系统管理电路。

介绍

对于大多数电子系统，通过上电复位（POR）监控系统电压可确保上电时正确初始化。此外，使用 POR 检测掉电条件可最大限度地减少可能损坏内存或导致系统执行不正常的代码执行问题。为了提高高端系统的可靠性，通常需要按正确的顺序对系统的电源进行排序，以防止系统的微控制器、微处理器、DSP或ASIC闩锁，这个问题可能导致损坏或长期可靠性问题。在大多数情况下，一个或多个微处理器监控器IC可以很容易地执行这些排序和监控功能。

通过检测器和上电复位监控电压

监视系统电源电压的一种简单方法是使用电压检测器，即结合了比较器和内部基准的IC。当电源电压低于电压检测器的阈值时，其输出将置位，通知系统的微控制器即将发生电源故障。此警告使微控制器有机会备份其内存、打开或关闭电源以及以受控方式关闭系统。

当电压检测器在上电或断电期间改变状态时，其输出在短暂的传播延迟后置位。这对于电源故障警告很好。然而，在大多数情况下，微控制器的复位输入需要更长的延迟，称为复位超时;在上电期间，系统时钟和电源必须稳定，处理器的寄存器必须初始化，然后才能将微控制器从复位状态释放。上电复位 （POR） 是微处理器监控器 IC 的一种形式，可提供此复位超时，以便系统可以在允许微控制器工作之前完全初始化。此外，如果电源电压在上电后暂时降至POR门限以下，则当电源电压恢复到POR门限以上时，也会产生同样的延迟。上电复位提供几种不同的固定超时周期和阈值电压。一些 POR 提供电容可调超时周期。

监控多电压系统

大多数系统监视3.3V I/O逻辑电源。对于需要更高可靠性的系统，可能需要监视其他电源，例如为内核和内存供电的电源。许多多电压微处理器监控器可以执行此任务，但给定系统的特定要求将迅速减少设计人员的选择数量。

大多数监控器监控标准电压，如 5V、3.3V、2.5V 和 1.8V。然而，由于各种组件（例如存储器、PLD、ASIC）具有独特的电源要求，因此通常需要监控额外的电压。因此，您必须决定是使用不需要外部电阻的固定阈值器件，还是使用更灵活的可调阈值器件（根据需要适应变化但需要外部电阻器）。具有固定阈值和可调阈值组合的器件可以提供最佳解决方案。选择器件时，务必选择电压低到足以监控系统最低电压的基准电压源。例如，当采用0.8V、0.9V和1V电源工作时，采用标准1.2V基准的器件将无法工作。

近年来，高可靠性系统中存在的电源电压数量有所增加;现在有十个或更多的电压是常见的。当监控大量电压时，您最终可能会使用多个监控器设备。在这些情况下，具有漏极开路输出的多电压监控器通常具有优势，因为它们的输出可以组合在一起以提供单个输出。图1所示为连接两个MAX6710，提供<>个复位信号，同时监测<>个电压。

图1.两个具有漏极开路输出的多电压监控器监视<>个电压，并提供一个复位输出。

过压保护电路

必须监视某些电源的欠压和过压情况。在许多系统中，过压监控已成为必要的，以防止损坏昂贵的处理器和ASIC。通常使用两种类型的过压保护电路。监控过压和欠压条件的窗口检测器可以用两个电压检测器和一个基准电压源构成。或者，也可以使用专用的窗口检测器IC，如MAX6754。第二种类型的电压保护电路包括一个外部p沟道MOSFET，如果电源电压超过指定电平，该MOSFET将关断电源。参见图2。

图2.当该监控电路检测到过压情况时，p沟道MOSFET断开电源连接。

排序电源

您可以使用 DC-DC 电源稳压器的使能或关断引脚方便地对电源进行排序。在这种“菊花链”方案下，当电源首次启动时，它会断言其电源正常（POK）信号（如果有），以通知其他电路其电压在容差范围内。POK 输出连接到第二个稳压器的关断或使能引脚，并在该稳压器激活时接通该稳压器。图 3 显示了此方法。对于需要更长延迟的情况，一些监管机构包括 POR。后一种布置允许在打开序列中的下一个电源之前有更长的时间延迟。

图3.具有 POK 输出的电源提供了一种对其他电源进行排序的便捷方法。

当 POK 信号不可用时，您可以使用电压检测器或 POR 监控电源的输出。 只需将检波器或 POR 输出连接到第二个电源的关断或使能输入即可。当监控电压超过特定阈值时，第二个电源接通。当与高噪声电源一起使用时，电压检测器可能会不必要地多次打开和关闭稳压器，特别是当监控电压电平接近其跳变阈值时。在这些情况下，POR电路可以将这种影响降至最低，这是POR超时周期的一个好处。当监控电压低于监控器门限时，POR的输出置位并保持置位状态，至少在监控电压返回阈值以上的最小复位超时周期内保持置位状态。在超时期间，电压必须持续高于复位阈值，监控器才能解除置位，从而防止电源反复循环。使用 POR 生成关断或使能引脚信号还允许您控制导通时间;POR 具有从几微秒到超过一秒的重置超时。此外，电容可调POR允许您更改给定设备的超时周期。

POR电路还允许您控制其他上电排序情况。例如，假设在具有三个电源的系统中，您希望前两个电源在激活第三个电源之前有效。如果没有POK输出的单个稳压器产生前两个电源，则可以使用双电压POR来监视其两个电压。然后，该 POR 的输出通过馈送其使能或关断引脚来控制第三个电源的时序。要对大量电源进行排序，可以使用多电压器件。例如，四路电压检测器适用于对四个电压进行排序。此外，具有多个复位输出和不同延迟的器件可用于对多个电源进行排序。

打开刀路元素

当使用“银盒”或“砖”电源时，如果没有额外的电路，并不总是能够以受控顺序打开和关闭每个电压。这些电源提供标准电压，如 5V、3.3V、2.5V 和 1.8V，这些电压通常分布在整个系统中。例如，“砖”可以为两个不同的IC提供3.3V逻辑电源和1.8V内核电源。在某些应用中，这些IC需要不同的电源排序;一个器件需要内核电源首先上升，而第二个器件需要I/O电源首先上升。

在这种情况下，对电源进行排序的一种方法是通过外部调整元件切换电源。图4显示了连接到MOSFET栅极的电压检测器，该检波器打开和关闭VFCT.当有更高的电压可用来提供足够大的栅源电压以完全增强 MOSFET 时，n 沟道 MOSFET 适用于此应用。但是，如果V，则在此电路上电期间可能会出现问题FCT在 V 之前存在FCT达到足够高的水平以打开电压检测器的输出。在这种情况下，VFCT将增强MOSFET（即，它将开启），直到VFCT上升到足以使电压检测器的输出置位低电平。

图4.如果有更高的电压可用，电压检测器可以通过打开n沟道MOSFET来对低电压进行排序。

这种相同类型的电路可以通过电压检测器和p沟道MOSFET来实现，而无需第二个更高的电压。然而，该电路不适合低压电源，p沟道MOSFET的较高导通电阻使其不适用于高功率应用。

一种更简单、更可靠的多电源供电排序方法，使用MAX6819等器件同时执行监测和排序功能（见图5）。这种类型的IC通过复位电路监控第一个电压，以确定它是否在规格范围内;当电压在规格范围内时，IC使用其MOSFET驱动器来接通MOSFET。内部电荷泵向次级电源添加固定电压，所得电压施加到 MOSFET 的栅极，这有助于确保栅源电压足够高以充分增强 MOSFET。

图5.主电源上电后，MAX6819接通副电源。MAX6819的板载电荷泵增强了MOSFET，使其导通电阻最小化。

保证金功能

在许多类型的电信、网络、存储和服务器设备的制造阶段，通常使用称为“裕量”的过程来评估这些系统的稳健性和未来可靠性。裕量调节涉及对系统（或处理器）的评估，这是通过使电源偏离其标称电平来执行的。为了改变这些电平，DC-DC转换器电源通常通过使用数字电位器或电流DAC改变其反馈环路来调整。图6描述了为电源裕量调节的多种方法中的两种。其他常用方法包括通过数字接口对电源输出进行编程或调整电源。不同程度的裕量控制包括“通过/失败”方法，您可以在其中将所有电源增加或减少到某个级别（例如，±5% 或 ±10%）。裕量控制可以采用更精细的调整方法，以较小的步长（例如，10mV 或 100mV）递增或递减电源。后一种方法允许您更详细地评估系统性能。

图6.执行电压裕度调节的两种简单技术包括将数字电位器或电流DAC添加到DC-DC转换器的反馈环路。

ADC可用于更准确地测量这些值。使用微控制器中包含的ADC来实现此功能可能很诱人。但是，当为微控制器供电的电源低于规格时，其内部基准电压源可能会超出容差，从而影响ADC的精度。此外，在裕量调节期间，必须断开或禁用复位输出，以便系统可以继续运行。否则，系统将复位，从而无法发现系统发生故障的电源电压电平。在使用大型系统时，执行这些裕度函数可能非常乏味。

在单个设备中结合监控、排序和裕量调节

许多处理器只需要两个电压，一个为内核供电，另一个为 I/O 供电。DSP、ASIC、网络处理器和视频处理器等其他器件可能需要多达五个电源电压。在单个系统中，监控电路监控和排序十个以上的电压的情况并不少见。随着这些系统中电源电压数量的不断增加，监控、排序和裕量所需的IC数量也会增加。成本上升，占用更多的电路板空间。当需要更改电压阈值或复位超时周期等参数时，可能需要新器件。此外，更改排序顺序成为一项相当艰巨的任务。

降低电路复杂度的一种方法是使用结合了监控和排序功能的可编程系统管理IC。这些器件具有可编程性，使更改易于处理。这些电路消除了在原型设计和制造阶段将零件换入和换出设计的需要。对于其中许多器件，串行接口允许您对配置这些器件并设置阈值电平和延迟的内部寄存器进行编程;板载EEPROM存储这些寄存器的内容。

图7所示为MAX6870系统管理器件，用于监视和排序多个系统电源。当+12V总线电压上电并超过其门限（存储在MAX6870内）时，MAX6870的一条输出立即或在延迟周期后（也存储在MAX5存储器中）使能+6870V稳压器。+5V稳压器上电且输出超过相应门限后，+3.3V电源退出关断状态。其余电源在相同方案下相继上电，但当MAX5增强n沟道调整元件时，+6870V开关电源变为可用。

图7.可编程系统管理器件为电压监控和排序提供了一种灵活的方法。

您通常可以对此类系统管理设备进行编程，以提供额外的监控功能，例如复位电路和看门狗定时器。这些器件还可以通过其模拟和数字输入监控电源电压以外的参数。在图7电路中，AUXIN_（模拟输入）和GPI_（数字输入）监视温度读数和电源电流检测读数。MAX6870包括一个10位ADC，用于对这些读数进行数字化处理;微控制器监控这些数字化读数的状态。温度传感器和电流检测监视器均包括一个比较器输出，用于指示故障发生（即温度或电流超过特定限值）。每路比较器输出连接至MAX6870通用输入（GPI）。MAX6870可以配置为在发生这些故障时关断一个或多个电源，从而降低+12V电源的负载。

内部 ADC 可轻松精确地调节电源。在裕量调节过程中，可以从ADC寄存器读取每个电源输出端的电压。此外，裕量输入可以禁用输出或在电源裕量化时将其编程为已知状态，从而防止系统在此过程中复位。

结论

在高端系统中，有许多方法可以监控、排序和裕量电压。新一代系统管理设备解决了当今系统设计人员所面临的复杂性。全新、完全集成的器件提供了传统解决方案的替代方案，并在单个器件中提供了更大的灵活性和功能，从而节省了电路板空间、成本和设计时间。

审核编辑：郭婷