自启动可能很难实现 - 了解稳压器和带隙中的上电复位要求

自启动是一项必要但有时很困难的任务，无论是激励人类、启动冷车还是为 IC 提供上电复位 （POR）。POR 确保系统以已知和安全的状态启动。我们将讨论这项技术的几个误应用，以及设计人员如何避免启动问题。

介绍

自我启动或自我激励是招聘销售和现场应用工程师时要寻找的良好品质。另一种自动启动器是由查尔斯·凯特林发明的，用于汽车。最初，汽车需要手摇曲柄来启动汽油（汽油）发动机。如果发动机“适得其反”，它可能会向后跑一会儿，摔断一个人的手、手腕和手臂的骨头。

同样，许多集成电路（IC）在上电时需要特殊处理。模拟和数字电路可能需要在启动时置于可预测的条件下。为此，我们使用通常称为上电复位（POR）电路的电路。

POR确保在上电期间有有序且可预测的事件序列。例如，在电路中提供偏置电流的电路需要可用且稳定，以确保对电路的正确控制。消费者注意到这种情况的一种情况是在立体声系统中。接通电源后，音频可以延迟 10 秒左右，以保护放大器和扬声器免受大爆裂（瞬态）的影响。为扬声器供电的放大器通常偏置在电源电平的一半。扬声器发出的静音是静态直流电压。虽然在上电期间正在建立静态偏置电平，但可能会突然跳跃，从而导致难看的爆裂声并损坏扬声器。这就是为什么精明的发烧友永远不会冒着在开机的情况下插入和拔出设备的风险。

为什么将电源排序作为 POR 的一部分？

电源排序是一个需要大量解释的主题。多年前，当三端线性稳压器上市时，在具有正负电源轨的系统中发现了一个缺陷。如果相反的电压轨首先出现，稳压器输出将被拉向相反的电压轨。充其量，调节器不会启动，最坏的情况是它会在一缕缕烟雾中燃烧起来。

随着制造商建议增加二极管以防止这种情况发生，应用笔记蓬勃发展。很快，制造商将此要求添加到设计定义中，这个问题就不复存在了。也就是说，除非难以或不可能解决，否则一些负稳压器仍然需要二极管。

创业惊喜派对

带正电压调节器

几年前，如果输出被拉到地电位以下，精密正电压稳压器被发现在所有条件下都无法启动。该稳压器系列提供三种温度范围的器件：0至+70°C、-40°C至+85°C和-55°C至+125°C。 出于成本原因，一些工程师决定使用0至+70°C范围。在他们的应用中，他们了解到在特殊情况下该部件可能会超过100°C。由于当零件不运行时不太可能这样做，因此他们继续前进。

作为勤奋的工程师，他们通过测试100个零件来检查他们的概念，同时将它们加热到135°C。 他们都过去了。产品投入现场后，他们看到了少量软故障，其中设备会发生故障，但随后会恢复。

对于实验室中的“问题”单元，工程师仔细观察，发现基准电压源的输出在关断状态下被拉到地电位以下。他们发现，如果2%至3%的基准电压被加热到105°C以上，并且输出端有负电压，则<>%至<>%的基准电压将无法启动。这显然是数据手册外的用途，无论是负电压还是温度。当设计师联系制造商寻求建议时，制造商惊讶地发现零件不仅在热时启动。

带基准电压源

基准电压源是一种精密、低电流、低温度系数稳压器。在图1中，基准电压运算放大器的负输入（反馈节点）连接到输出引脚。埋入式齐纳二极管或带隙上方的电阻顶部可以连接到输入电源、内部功率稳压器或输出。电阻也可以表示为电流源。现在，假设正电源关闭，负电压施加到输出节点。当上电时，电路可能无法在运算放大器中建立适当的偏置电压，并且一些内部寄生电容可能会保持充电状态，从而使电路保持关闭状态。

图1.典型基准电压源的简化图。

带运算放大器

图2中的运算放大器输入结构显示了一个低电流源。IC内部的一些元件通过反向偏置二极管与地和彼此隔离。某些器件具有寄生（未使用的）二极管和晶体管，它们是其结构的一部分。寄生元件在正常使用中偏置，对操作没有影响。如果该电流源被拉到负，寄生元件可能会正向偏置，从而将器件箝位在非工作状态。有时寄生器件就像三端双向可控硅一样，一直保持开启状态，直到电源断开。在最坏的情况下，这可能会损坏设备。

图2.运算放大器内部。

带电容器

在IC内部，增加了用于频率补偿的电容器，以及不需要的杂散电容。这些节点如果在地电位以下充电，可能没有可用的电流源来为其提供正电荷并允许电路运行。

输出电路必须偏置以打开顶部晶体管以对外部电容充电。由于负运算放大器反馈节点连接到输出，因此输出必须上升到线性操作，电路才能正常工作。大多数IC具有静电放电（ESD）保护。这通常由二极管和齐纳二极管组成，如图3所示。

图3.典型的ESD结构保护集成电路的其余部分。

有静电放电问题

ESD保护是必要的，因为高电压会损坏IC。如果电压高于IC制造工艺的绝对最大额定值，有源元件将进入齐纳模式。然后，随着电流的增加和元素进入雪崩模式，它们最终会分解，吸收巨大的电流并融合硅。负方向的电压大于绝对最大值也会消耗过多的电流并损坏IC。

带隙基准电压源

如图4所示，带隙基准电压源也存在启动问题。带隙由两个具有不同电流的正向偏置半导体组成。一条路径中的反转会导致两个电流在设计点处平衡。一条路径产生具有负温度系数（tempco）的电压，另一条路径产生正温度系数。

图4.常见的带隙配置。

选择工作点，以便差值将产生与绝对温度（PTAT）成比例的信号。完美的设计不会有电压随温度的变化。遗憾的是，运算放大器将在两点上保持平衡和稳定：设计电流和零电流。但是，在零电流下，没有任何东西可以告诉电路以哪种方式进行伺服或校正。

带隙参考电压源计算器有助于设计和分析Brokaw带隙基准电压源电路。它计算所有电路参数和输出电压作为结温的函数。仿真了修整和二阶曲率校正的一阶效应。

解决 POR 问题

图1中的基准电压源之所以有效，是因为有一个单独的启动电路，当电流为零时，该电路会使两条带隙路径中的电流不平衡。它在室温下工作并在较热的温度下失效的事实证明，启动电路在热时“弱”，其中漏电流较高。因此，设计人员必须在构建太弱（可能无法启动）和太强（影响正常工作）的启动电路之间创建一个中间地带。从带隙开始是一个难题，该主题有数十项专利。

在这种情况下，修复可能非常简单。假设泄漏负电压的电路无法固定，我们将箝位基准的输出。IC内部现有的ESD二极管是硅的（图3），因此它们自然地将负电压箝位在0.6V至0.7V（或者可能有两个串联二极管箝位在1.2V）。在基准输出端添加一个小的肖特基二极管。在正常工作中，二极管将反向偏置并脱离电路。图5所示的反向漏电流可以忽略不计，但由于肖特基二极管确实会泄漏，因此必须加以考虑。室温下的正向电压约为240mV，随着温度的升高（在相同的电流下），正向电压下降，如图5所示。

图5.典型的肖特基二极管数据手册参数。

这可能会解决热启动问题。要对其进行测试，请找到在给定温度下失效的基准电压源。将基准电压源的输出从烤箱中取出。如果有射频拾音器，一小段同轴电缆效果很好。一英尺同轴电缆的 20pF 在 DC 不是问题。在基准电压关闭的情况下测量基准电压输出。注意负电压（有时IC内部有两个ESD二极管串联）。假设它是-1V。接下来，连接一个硅二极管（如1N4747）将电压箝位在0.6V。引用是否开始？将两个肖特基二极管串联（室温下为0.52V）。引用是否开始？在电路中放置一个肖特基二极管（室温下为0.24V）。现在引用开始了吗？加热肖特基或将其放入烤箱 - 参考开始吗？通过逐步尝试启动限制是了解起始保证金的好方法。

增加肖特基二极管的结果减少了基准输出被拉到地电位以下的量。随着温度的升高，肖特基二极管的正向电压下降，缓解了这个问题。测试证明，添加肖特基二极管可以保护基准电压源免受负电压的影响，并允许其在高温下启动。

POR以多种方式使用，以确保正常运行。例如，Maxim MAX6029基准电压源基于带隙基准电压源。此时，基准电压源仅在适当的工作电压下稳定。正如我们在带隙基准部分所讨论的，带隙将在两点上平衡并稳定：设计电流和零电流。这对于确保器件启动并避免零电流情况是绝对必要的，因此设计人员花费大量时间仿真具有电压、温度和工艺变化的电路。在MAX5134四通道16位数模转换器（DAC）中，POR功能将器件初始化为已知条件。MAX5134可以复位至零或中间电平。根据应用的不同，这是一个重要的系统安全因素。如果正在控制电机，如果在通电期间允许随机移动，则有人可能会处于危险之中。该硬件POR独立于任何软件控制，并允许安全操作，直到系统软件可以接管精确控制。此外，POR工作在MAX5482非易失数字电位器中。光纤通信和电源等系统需要在最终生产测试期间进行校准。MAX5482允许记忆1024个不同的抽头或电压点之一。POR 会在电源打开时自动调用校准设置。

结论

自启动可能很难做到，无论是自启动的人、冷车还是 IC。POR 确保系统以已知和安全的状态启动。有时，IC制造商的工程师可以在客户以设计工程师从未打算过的方式使用零件时为他们提供帮助。为了获得最佳结果，制造商建议遵守数据手册参数，原因很明显：这些是IC设计人员用于创建器件的参数。

审核编辑：郭婷