使用合適的窗口電壓監(jiān)控器優(yōu)化系統(tǒng)設計

摘要

使用窗口電壓監(jiān)控器可以防止欠壓和過壓的情況出現(xiàn)，從而更好地調節(jié)系統(tǒng)電源。穩(wěn)定的系統(tǒng)電源可保護系統(tǒng)或負載，以防出現(xiàn)潛在故障，甚至使其免遭損壞。不同的窗口電壓監(jiān)控器架構提供容差、欠壓和過壓閾值設置以及輸出配置選項，以便根據應用實現(xiàn)設計靈活性。本文旨在通過列舉不同的架構示例，幫助工程師和系統(tǒng)設計人員確定適合其應用的窗口電壓監(jiān)控器。

簡介

在汽車、工業(yè)或家用電器等領域，電壓突然波動可能會引發(fā)嚴重的問題。造成該系統(tǒng)電源問題的原因可能包括電壓尖峰、電流不暢或不穩(wěn)定、雷擊、閃爍等。

無論窗口電壓監(jiān)控器低于還是高于電壓范圍，它都可以檢測一定范圍的電壓，并提供可用于執(zhí)行保護機制的輸出信號，因此使用窗口電壓監(jiān)控器有助于防止系統(tǒng)出現(xiàn)故障。窗口電壓監(jiān)控器具有不同的架構和特性，要想實現(xiàn)出色的系統(tǒng)設計，需要更好地了解每種類型。選項包括電阻可編程欠壓(UV)和過壓(OV)斷路、固定或工廠調整的UV/OV閾值、用于監(jiān)控多個電壓的多通道，或單一UV/OV或獨立UV和OV輸出選擇。

了解窗口電壓監(jiān)控器

窗口電壓監(jiān)控電路與傳統(tǒng)窗口檢測器電路類似，它使用兩個比較器，并且每個比較器檢測相對于其基準電壓（即上限和下限）的公用輸入電壓。輸出以兩個基準閾值電壓間窗口的形式顯示輸入的檢測結果。簡單地說，該電路不僅檢測低于閾值的電壓，也檢測高于閾值的電壓。傳統(tǒng)窗口檢測器電路及其波形如圖1所示。

圖1.傳統(tǒng)窗口檢測器電路和波形。

在該電路中，當VIN大于下限時，U2的輸出將從低狀態(tài)轉變?yōu)楦郀顟B(tài)。與U1相反，當VIN大于上限時，輸出將從高狀態(tài)轉變?yōu)榈蜖顟B(tài)。因此，如果VIN大于下限且低于上限，則兩個比較器的輸出都將切換至高狀態(tài)，并打開與門輸出。

對于窗口電壓監(jiān)控器，各比較器共用一個基準電壓。該監(jiān)控器還提供定義的電源容差裕量、閾值滯回和閾值精度規(guī)格。容差的值通常以百分比表示，用于確定相對于標稱電壓的欠壓和過壓閾值窗口。即使存在電源噪聲或錯誤信號，滯回也能確?？煽康膹臀徊僮?，并防止錯誤復位輸出。精度留出了欠壓和過壓閾值的容許范圍1。

提供UV輸出和OV輸出的電阻可編程電壓閾值

此類型架構在外部采用三電阻配置，其中，在為監(jiān)控系統(tǒng)電源上的UV和OV條件設置閾值時，電阻分壓器連接到比較器的負輸入和正輸入。該架構沒有為UV/OV閾值窗口定義容差，但用戶可手動進行設置。此類型監(jiān)控器提供單通道和多通道版本，因此這些監(jiān)控器的電源電壓VCC與輸入或監(jiān)控引腳分開。

圖2.電阻可編程UV/OV閾值內部框圖和配置。

圖2所示為正電壓監(jiān)控框圖，其中包括每個通道的專用UV和OV輸出，以及其輸入與三個外部電阻的連接情況。在監(jiān)控正電源電壓(VM)時，當高端電壓(VH)低于內部基準電壓時，將觸發(fā)UV條件，而當低端電壓(VL)超過內部基準電壓時，將觸發(fā)OV條件。使用電阻可編程窗口電壓監(jiān)控器的優(yōu)點在于，它允許用戶設置所需的UV和OV跳變點，其中，選擇R1以設置OV監(jiān)控器的所需跳變點，選擇R2以設置UV監(jiān)控器的所需跳變點，而R3用于完成設計。要確定每個電阻的值，請參見公式。

假設用戶已有電阻分壓器中被監(jiān)控電壓(VM)和標稱電流(IM)的值，

對于R1，

對于R2，

使用外部電阻的一個考慮因素是，外部電阻會增加系統(tǒng)的功耗，并且可能會拓寬整體精度。使用大阻值的電阻可最大限度降低功耗，而小阻值的電阻可用于維持整體精度。

MAX16009采用此類型架構，這是一款低電壓、高精度的四窗口電壓監(jiān)控器。該產品具有設計靈活性，例如可在多個通道中設置低至0.4 V的UV和OV閾值。圖3是使用MAX16009的示例。該器件用于內窺鏡的示波器部分，內窺鏡是一個配備燈具和攝像頭的長管，可插入人體以觀察腔體或器官內部。該系統(tǒng)在低電壓電平下采用多個電壓軌運行。該電壓監(jiān)控器通過監(jiān)控內核電源電壓和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的輸入/輸出電源電壓來確保不會出現(xiàn)電壓危害，從而提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)健性。

圖3.內窺鏡功能框圖。

ADM12914也具有電阻可編程UV/OV閾值，這是一款精度為±0.8%的四通道UV/OV正/負電壓監(jiān)控器。該監(jiān)控器具有三態(tài)引腳，用于決定第三路和第四路輸入的極性，從而允許器件監(jiān)控正電源或負電源。其高精度監(jiān)控對于脈沖繞組測試儀等儀器應用非常寶貴，脈沖繞組測試儀可以發(fā)現(xiàn)變壓器、電機等線圈產品中的潛在缺陷。它可以檢測層間絕緣性低的單元，這在生產的早期階段通常很難發(fā)現(xiàn)。該測試儀用于在繞組端子施加脈沖電壓，并將測試波形與已知良好繞組產生的參考波形進行比較，以此檢測缺陷2。此應用使用高速采樣模數轉換器(ADC)產品對波形進行采樣和顯示，并將其與標準波形進行比較，以實現(xiàn)檢測。ADM12914在閾值設置方面具有靈活性，并提供高閾值精度，這些優(yōu)勢有利于精確監(jiān)控脈沖繞組測試儀中不同電路模塊（如ADC驅動器、高速放大器和微處理器）的電壓偏置。因此，該器件對于生產高質量線圈產品至關重要，這些線圈產品最終將用于工業(yè)、汽車和消費類產品。

表1列出了ADI窗口電壓監(jiān)控器的示例，這些監(jiān)控器具有基于通道數的電阻可編程UV和OV閾值。

表1.具有電阻可編程UV和OV閾值的窗口電壓監(jiān)控器

具有可選窗口的工廠調整電壓閾值

此類型窗口電壓監(jiān)控器架構提供工廠調整的電壓閾值，并為UV/OV閾值提供可選窗口。其中一些類型提供單一或獨立欠壓和過壓輸出選項。

MAX6762采用此類型架構。該器件提供固定的工廠調整電壓閾值，可監(jiān)控0.9 V至5 V的系統(tǒng)電壓，并為定義的UV/OV閾值提供可選的±5%、±10%或±15%窗口，無需外部元件及其變體。窗口可通過SET引腳的狀態(tài)進行選擇，以使系統(tǒng)工程師能夠靈活地優(yōu)化其設計。與我們討論的第一種類型的架構不同，這些窗口電壓監(jiān)控器的VCC是被監(jiān)控電壓。因此，沒有單獨的監(jiān)控引腳。圖4所示為MAX6762的功能框圖，顯示了UV/OV閾值窗口選項和輸出配置。

圖4.MAX6762的功能框圖，這是具有工廠調整閾值的窗口電壓監(jiān)控器的示例。

需要嚴格調節(jié)電壓且對噪聲敏感的應用可輕松選擇嚴格容差選項。另一方面，如果應用對電源噪聲的容忍度更高且不需要嚴格調節(jié)，則可以選擇設置更寬的容差，以充分擴大可用電源窗口，避免過度敏感和系統(tǒng)振蕩。通過該架構，設計人員可利用解決方案來平衡靈活性與復雜性。工廠調整的電壓無需外部電阻，同時允許通過SET引腳靈活地選擇合適的窗口，從而簡化了解決方案。

圖5顯示了無線收發(fā)器的簡化電源樹示例。除了需要出色的噪聲性能，該應用還需要嚴格調節(jié)供電軌。低壓差(LDO)穩(wěn)壓器等后線性穩(wěn)壓器通常用于抑制開關噪聲帶來的噪聲以及上游電源中開關穩(wěn)壓器的諧波分量，但有時，高性能開關穩(wěn)壓器便已足夠。然而，使用窗口電壓監(jiān)控器可確保模擬和數字電源在工作時滿足嚴格的調節(jié)要求，從而提高整體可靠性。在該示例中，具有已定義閾值窗口的MAX6762監(jiān)控供電軌。由于使用的穩(wěn)壓器具有出色的噪聲性能，因此可以選擇更嚴格的容差。UV輸出配置為邏輯或，可將微處理器置于復位模式，OV輸出則作為微處理器不可屏蔽中斷(NMI)的輸入。

圖5.收發(fā)器微處理器的電源樹示例。

表2列出了窗口電壓監(jiān)控器的示例，這些監(jiān)控器提供具有可選窗口的工廠調整電壓閾值。此類型架構提供單通道和雙通道版本，并有獨立UV和OV輸出或單一UV/OV輸出可供選擇。

表2.具有工廠調整電壓閾值和可選窗口的窗口電壓監(jiān)控器

提供單一UV/OV輸出的工廠調整電壓和窗口

此架構可在工廠設置的閾值窗口中檢測UV或OV故障。它與前文討論的第二種類型的架構之間的區(qū)別在于，UV/OV閾值的容差是工廠調整的。采用此架構的常見監(jiān)控器提供單一復位輸出。此外，可在單芯片中監(jiān)控多個電壓軌的多通道選項提供各種閾值，以適應不同的電源電壓和容差。

圖6.工廠調整閾值和容差的功能框圖。

在圖6中，此類型窗口電壓監(jiān)控器使用內部比較器根據輸入電壓(IN)和輸入電源電壓(VDD)來確定輸入條件。通過IN引腳分別為UVLO電平及被監(jiān)控電壓的OV和UV監(jiān)控VDD電平。如果IN超出預編程的UV/OV窗口，復位輸出將置位?；鶞孰妷簺Q定了各種工廠調整的標稱輸入電壓，以及符合給定閾值精度規(guī)格的廣泛輸入容差選項。容差根據編程的標稱輸入電壓設置UV/OV閾值水平。此外，該電壓監(jiān)控器在窗口閾值具有內部滯回，可幫助避免噪聲引起的多重故障條件。

MAX16193采用該架構，這是一款精度為0.3%的雙通道監(jiān)控電路，其選定的標稱輸入電壓(VIN_NOM)為0.9 V，輸入容差水平(TOL)為4%。以下公式用于確定UV和OV閾值水平（UV_TH和OV_TH）：

在電源電壓范圍內，閾值精度(ACC)為0.3%，如下所示：

為幫助我們直觀地看到這些值，圖7顯示了已計算參數的圖解。計算結果可通過使用窗口電壓監(jiān)控計算器獲得，該工具可幫助系統(tǒng)設計人員確保設備規(guī)格符合電源操作窗口等設計要求。圖7顯示，使用該標稱電壓為0.9V、容差為4%、閾值精度為0.3%的器件后，電源工作窗口將為±3.7%。此示例適合內核電壓較低且需要嚴格調節(jié)的應用。

圖7.MAX16193的窗口電壓計算器樣本計算結果。

您可從以下產品頁面下載此工具：MAX16138、MAX16191、MAX16193、MAX16132至MAX16135、MAX16137。

其他采用相同架構的產品包括MAX16132至MAX1635，這是一系列低電壓、高精度單/雙/三/四電壓監(jiān)控器，其中MAX16132/MAX16133/MAX16134提供獨立復位輸出，MAX16135提供雙復位輸出。這些器件的溫度和窗口閾值監(jiān)控閾值精度為±1%，非常適合汽車高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)應用。這些器件提供多個標稱電壓選項可供選擇，以支持應用要求。ADAS解決方案包含攝像頭、遠程雷達、超聲、光探測和測距(LIDAR)檢測技術。圖8顯示了ADAS框圖的示例，其中窗口電壓監(jiān)控器位于電源管理系統(tǒng)模塊中的電源監(jiān)控器類別下。檢測電路要求為放大器、ADC、雷達收發(fā)器和微控制器等器件監(jiān)控多個不同的電壓軌，范圍可能從1.8 V到5 V不等。當系統(tǒng)中的電源電壓無法提供足夠的電壓電平時，系統(tǒng)準確感知環(huán)境的能力就會受到負面影響。實際上，傳感器可能很難準確檢測和跟蹤物體，從而導致誤警報或漏報3。MAX16132至MAX1635提供多個可供選擇的調整電壓閾值選項，這些選項能夠以高精度支持ADAS要求，從而滿足嚴格的調節(jié)要求。這些器件提供可在工廠編程設置的標稱輸入電壓，范圍為1 V至5 V，并為±4%至±11%的輸入容差、0.25%和0.5%的滯回提供廣泛選項。

圖8.ADAS功能框圖。

該窗口電壓監(jiān)控器通常用于協(xié)作機器人(cobot)等工業(yè)應用領域。協(xié)作機器人是一種自主機器人工人，負責執(zhí)行重復性任務和危險任務，在共享工作空間內與人類工人一起工作。協(xié)作機器人配備多種具有安全特性的傳感器，當它們檢測到附近有人或與人類工人接觸時會自動停止，然后等人類工人離開該區(qū)域后，又恢復工作。機器人系統(tǒng)的實時控制可通過FPGA的快速處理能力實現(xiàn)4。經過微調的電機控制和穩(wěn)定反饋回路等關鍵功能需要高精度電源系統(tǒng)監(jiān)控器，而MAX16134可以提供此類監(jiān)控器。

圖9.協(xié)作機器人功能框圖。

表3中顯示的不同通用產品提供工廠調整的閾值電壓和容差選項，這些產品具有給定精度以及不同的通道數。

表3.具有工廠調整電壓閾值和容差的窗口電壓監(jiān)控器

結論

窗口電壓監(jiān)控器通過監(jiān)控欠壓和過壓來降低電源故障的可能性，從而提高可靠性和系統(tǒng)穩(wěn)健性。ADI提供多種窗口電壓監(jiān)控器可供選擇，以支持不同的應用。ADI設計并提供不同的架構以用于設置電壓閾值和容差，幫助系統(tǒng)架構師完成優(yōu)秀的設計。

參考文獻

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2 Yuki Maita。“使用新型脈沖繞組測試儀進行高精度繞組測試”。EE Power，2019年12月。

3 Bonnie Baker。“看守士兵保護ADAS電源電壓完整性”。ADI公司，2020年7月。

4 R.Niranjana?！盎贔PGA的機器人和自動化”。FPGA Insights，2023年8月。