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作者：Scot Lester，Texas Instruments
市場趨勢使得數字信號處理器 (DSP)、微處理器及現場可程序門陣列 (FPGA) 制造商不斷提高時脈頻率以達到更高效能，同時也需要降低功耗，這兩個相斥的條件造就了多重電軌裝置的開發。一般多重電軌裝置會有一個 I/O 電壓，其功能為輸入及輸出供電，例如驅動系統總線，與既有邏輯設備進行通訊或點亮 LED。I/O 電壓通常為 3.3V 或 5.0V，是電路板上較高的電壓之一。一個或多個較低的核心電壓會用來驅動裝置內的高頻率邏輯。低核心電壓允許邏輯迅速切換，同時可減少耗電，因為相較于較高電壓，它能夠降低切換耗損。
這些高效能多重電壓裝置需要核心電壓的緊密公差 (tight tolerance)，才能使內部邏輯正確運作，并恰當執行軟件程序代碼。此外，在多重電壓裝置中，一般都有通電電壓排序需求，藉以避免在通電及斷電時造成鎖定與裝置損壞。電壓監測裝器可用于這類高效能裝置，以確保在不同的電源條件下順利啟動及執行程序代碼。
在最簡單的形式中，電壓監測裝置包含電壓偵測電路，這會觸發定時器重設輸出訊號。不論是電壓監測裝置或定時器，內部都能夠使用數字或模擬電子裝置。圖 1 顯示了一個典型的電壓監測電路。電壓偵測電路是帶有遲滯的比較器。需監視的電壓一般會透過外部電阻分配器加以劃分，并且與參考電壓相比較。監測裝置通電時，/RESET 輸出會下降。當劃分的 SENSE 電壓超過參考電壓時，會觸發可重復觸發的單次定時器。該定時器會在一段固定的時間內將 /RESET 訊號降低，并且將適當的 RESET 訊號發送給 DSP、微處理器、FPGA 或其他的復雜邏輯設備。
圖 1. 模擬電壓監測裝置
除了單純監視電軌之外，某些監測裝置也使用監控定時器 (WDT) 來監視 DSP 或微處理器程序代碼的執行。監控定時器是一種特殊的計時裝置，如果 DSP 或微處理器無法定期重設 WDT，便會觸發系統重設。圖 2 顯示的是具有電壓監視器及監控定時器的監測裝置。一般而言，DSP 或微處理器輸出接腳可用來驅動監測裝置的監控輸入。DSP 必須定時變更輸出的邏輯狀態，以產生脈沖序列。監控定時器會監視此脈沖序列。如果軟件進入無限循環或中止程序，導致 DSP 停止產生脈沖序列，則監控定時器會逾時，而發出重設訊號來重新啟動 DSP，并能從任何軟件錯誤中恢復。從停止脈沖到重設的時間長度是由組成 WDT 電路的震蕩器及計數器所決定的，并且須視裝置而定。WDT 時間一般是 0.5 秒至 2 秒。
圖 2. 具有電壓監視及監控定時器的監測裝置
透過數字方式也能夠使用相同的監測裝置功能。圖 3 顯示使用數字電路采用的相同電壓監測裝置。對于數字監測裝置，仍然會劃分出需要監視的電壓，以提供模擬數字轉換器 (ADC) 輸入范圍內的偵測電壓 (SENSE)。接著 ADC 會將 SENSE 電壓轉換為微處理器可辨識的數字訊號。微處理器的 I/O 接腳可用來驅動開汲極 MOSFET，以提供重設訊號。數字監測裝置可提供模擬監測裝置所沒有的功能。
圖 3. 數字電壓監測裝置
數字監測裝置含有微處理器，因此功能與靈活性都比模擬監測裝置好。某些數字監測裝置提供序列信道，能夠與其他電源管理裝置或主要的微處理器進行通訊。關鍵參數及配置信息可儲存于監測裝置中，透過序列通道即可加以讀取和修改。這使得重設閥值能夠透過軟件加以修改，完全不需要變更外部電壓分配器。此外，ADC 能夠讓微處理器讀取大范圍的 SENSE 電壓，而模擬監測裝置電壓偵測比較器僅提供訊號來決定電壓高于或低于參考電壓。大范圍的 SENSE 電壓允許數字監測裝置設定變動欠壓監測、變動過壓監測及電壓不足偵測。另外，數字監測裝置使用的大多數微處理器都有許多 I/O 接腳，因此能夠以相同裝置監視多個電壓電軌。數字電壓監測裝置能夠監測 12 個不同的電軌，因此非常適用于復雜的大型系統。
電壓排序器是衍生自電壓監測器的一種裝置。電壓排序器可用來驅動系統中電源供應的啟用接腳，以提供多重電壓電軌的通電及斷電排序。圖 4 顯示多重電壓電軌系統適用的通電/斷電配置范例。電壓會隨著其他的系統電壓在給定時間升降。電壓排序器則用來控制和監視通電及斷電時序。
圖 4. 通電及斷電排序范例
排序器為電源供應提供賦能訊號，而非提供系統 RESET 訊號。排序器一般是數字電路型或微處理器型裝置，能夠針對個別系統獨特的各種通電及斷電排序可能性與組合進行設定。電壓排序器可根據時間或其他電源供應的狀態啟用電源供應。啟用電源供應后，電源排序器會監視欠壓或過壓事件的電源供應，并且在這些事件發生時采取適當動作。適當動作包括停用被監視電源的供應及其他電源供應、重試失效的電源供應、取消所有電源供應的排序或采取其他設定動作。電壓排序器能夠以單一排序 IC控制最多 8 個電源供應。排序器 ICs 可在必要時串接，以提供 8 個以上電源供應的排序。圖 5 顯示的是 8 信道電壓排序器的一般配置。
圖 5. 8 信道電壓排序器
監測裝置的電壓位準觸發單次基本功能可用于預期用途以外的多種應用。例如，電壓監測裝置的其中一種常見應用是提供按鈕開關的跳動消除機制。一般開啟時，按鈕開關都未按下，因此接點不會接觸而形成電路。其中的機械部份會快速彈回，因此，在最終機械部份固定而形成電路之前，連接和中斷連接的時間只有幾毫秒。如果使用開關來引發邊緣觸發邏輯，開關彈回時會有多次邏輯錯誤觸發的情形。放開按鈕使得電路成為開路時，開關也會彈回。
大多數的監測裝置都有手動重設開關的輸入，而開關與接腳連接 (一般標示為 MR)。按下開關時會啟動重設，情況就好像是監測的電壓降低。監測裝置可用來將按鈕連接于此接腳，以避免按鈕開關彈回。重設時間必須比使開關不彈回或彈回的時間更長。圖 6 顯示電壓監測裝置做為開關彈回防制電路的范例，其中按鈕開關連接于 TPS3808 的 MR 接腳。開關規格規定彈回時間最長 8 毫秒，而不彈回時間最長 10 毫秒。外部 2.2nF 電容將重設時間長度設定為 13 毫秒，這比不彈回或彈回的時間都要長。圖 7 顯示按鈕輸入及重設輸出的預期波形。
圖 6. 用于開關彈回防制的監測裝置
圖 7. 開關彈回防制電路的時序
圖 8 顯示監測裝置在相機閃光電路中做為簡單定時器來驅動高電流白光 LED (WLED) 的另一個范例。在此范例中，高功率 WLED 是由 1A 的電流驅動，因此能夠產生數字攝影所需的高亮度閃光。然而，由于本身封裝的散熱限制，WLED 無法一直維持這樣的電流量。放開閃光按鈕時，監測裝置會提供 570 毫秒的 LED 閃光。
圖 8. 使用電壓監測裝置的 WLED 閃光定時器
監測裝置的監控功能也可用于預期應用以外的其他用途。監控功能可用來偵測脈沖序列何時停止。例如，監控功能可監視序列通訊線路，以判斷數據或頻率的序列串流何時停止，或偵測停止或鎖定的馬達轉子 (rotor)。圖 9 顯示監控定時器用于偵測鎖定的馬達轉子。在此范例中，微處理器用來驅動馬達。光纖槽轉速器附加在馬達轉軸末端，只要馬達轉動，轉軸就會提供脈沖序列。轉速器的光敏晶體管會以轉速器脈沖序列驅動監控定時器的輸入 WDI。如果馬達轉子停止轉動，脈沖序列就會停止，因此監控定時器便不會重設。經過 1.4 秒后，如果轉速器無任何脈沖，TPS3128 便會將重設接腳的輸出降低。這個低位訊號會驅動微處理器的輸入接腳，因此微處理器可調整驅動輸出，以補償鎖定轉子狀況。圖 10 顯示鎖定轉子狀況的時序。
圖 9. 使用監控定時器進行的鎖定馬達轉子偵測
圖 10. 鎖定轉子時序
摘要
電壓監控裝置及排序器已問市多年。目前新推出的裝置都采用數字運作方式，因此可增加靈活性、監視或定序通道的數量、可變電壓閥值及變動時序參數。不過，即使使用這些新推出的高效能數字監測裝置，舊型模擬監測裝置仍然適用于少部份監視的通道，也可在開關彈回防制之類的系統中提供其他功能，或用作定時元件。
References
To learn more about voltage supervisors, download datasheets or other technical documents, visit:.
- http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/tps3808-ep.html
- http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/tps3128e12.html
關于作者
Scot Lester 現任德州儀器高效能模擬團隊的應用工程師，擁有 19 年以上的實機操作電路板設計資歷，專研電池供電及可攜式應用的低功耗 DC/DC 轉換器。Scot 現為德州儀器技術小組成員，擁有加拿大蒙大拿州立大學 BSEE 學位及美國維吉尼亞州喬治梅森大學 MBA 學位。