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作者：Camille Bianca Gomez，產(chǎn)品應用工程師 Noel Tenorio，產(chǎn)品應用經(jīng)理 摘要 使用窗口電壓監控器可以防止欠壓和過(guò)壓的情況出現，從而更好地調節系統電源。穩定的系統電源可保護系統或負載，以防出現潛在故障，甚至使其免遭損壞。不同的窗口電壓監控器架構提供容差、欠壓和過(guò)壓閾值設置以及輸出配置選項，以便根據應用實(shí)現設計靈活性。本文旨在通過(guò)列舉不同的架構示例，幫助工程師和系統設計人員確定適合其應用的窗口電壓監控器。 簡(jiǎn)介 在汽車(chē)、工業(yè)或家用電器等領(lǐng)域，電壓突然波動(dòng)可能會(huì )引發(fā)嚴重的問(wèn)題。造成該系統電源問(wèn)題的原因可能包括電壓尖峰、電流不暢或不穩定、雷擊、閃爍等。 無(wú)論窗口電壓監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，并提供可用于執行保護機制的輸出信號，因此使用窗口電壓監控器有助于防止系統出現故障。窗口電壓監控器具有不同的架構和特性，要想實(shí)現出色的系統設計，需要更好地了解每種類(lèi)型。選項包括電阻可編程欠壓(UV)和過(guò)壓(OV)斷路、固定或工廠(chǎng)調整的UV/OV閾值、用于監控多個(gè)電壓的多通道，或單一UV/OV或獨立UV和OV輸出選擇。 了解窗口電壓監控器 窗口電壓監控電路與傳統窗口檢測器電路類(lèi)似，它使用兩個(gè)比較器，并且每個(gè)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?xún)蓚�(gè)基準閾值電壓間窗口的形式顯示輸入的檢測結果。簡(jiǎn)單地說(shuō)，該電路不僅檢測低于閾值的電壓，也檢測高于閾值的電壓。傳統窗口檢測器電路及其波形如圖1所示。 
圖1.傳統窗口檢測器電路和波形。 在該電路中，當VIN大于下限時(shí)，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(shí)，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(gè)比較器的輸出都將切換至高狀態(tài)，并打開(kāi)與門(mén)輸出。 對于窗口電壓監控器，各比較器共用一個(gè)基準電壓。該監控器還提供定義的電源容差裕量、閾值滯回和閾值精度規格。容差的值通常以百分比表示，用于確定相對于標稱(chēng)電壓的欠壓和過(guò)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(guò)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(lèi)型架構在外部采用三電阻配置，其中，在為監控系統電源上的UV和OV條件設置閾值時(shí)，電阻分壓器連接到比較器的負輸入和正輸入。該架構沒(méi)有為UV/OV閾值窗口定義容差，但用戶(hù)可手動(dòng)進(jìn)行設置。此類(lèi)型監控器提供單通道和多通道版本，因此這些監控器的電源電壓VCC與輸入或監控引腳分開(kāi)。
圖2.電阻可編程UV/OV閾值內部框圖和配置。 圖2所示為正電壓監控框圖，其中包括每個(gè)通道的專(zhuān)用UV和OV輸出，以及其輸入與三個(gè)外部電阻的連接情況。在監控正電源電壓(VM)時(shí)，當高端電壓(VH)低于內部基準電壓時(shí)，將觸發(fā)UV條件，而當低端電壓(VL)超過(guò)內部基準電壓時(shí)，將觸發(fā)OV條件。使用電阻可編程窗口電壓監控器的優(yōu)點(diǎn)在于，它允許用戶(hù)設置所需的UV和OV跳變點(diǎn)，其中，選擇R1以設置OV監控器的所需跳變點(diǎn)，選擇R2以設置UV監控器的所需跳變點(diǎn)，而R3用于完成設計。要確定每個(gè)電阻的值，請參見(jiàn)公式。 假設用戶(hù)已有電阻分壓器中被監控電壓(VM)和標稱(chēng)電流(IM)的值，
對于R1，
對于R2，
使用外部電阻的一個(gè)考慮因素是，外部電阻會(huì )增加系統的功耗，并且可能會(huì )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(lèi)型架構，這是一款低電壓、高精度的四窗口電壓監控器。該產(chǎn)品具有設計靈活性，例如可在多個(gè)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(gè)配備燈具和攝像頭的長(cháng)管，可插入人體以觀(guān)察腔體或器官內部。該系統在低電壓電平下采用多個(gè)電壓軌運行。該電壓監控器通過(guò)監控內核電源電壓和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的輸入/輸出電源電壓來(lái)確保不會(huì )出現電壓危害，從而提高系統的可靠性和穩健性。
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/負電壓監控器。該監控器具有三態(tài)引腳，用于決定第三路和第四路輸入的極性，從而允許器件監控正電源或負電源。其高精度監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)現變壓器、電機等線(xiàn)圈產(chǎn)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(chǎn)的早期階段通常很難發(fā)現。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(chǎn)生的參考波形進(jìn)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(chǎn)品對波形進(jìn)行采樣和顯示，并將其與標準波形進(jìn)行比較，以實(shí)現檢測。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)勢有利于精確監控脈沖繞組測試儀中不同電路模塊（如ADC驅動(dòng)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(chǎn)高質(zhì)量線(xiàn)圈產(chǎn)品至關(guān)重要，這些線(xiàn)圈產(chǎn)品最終將用于工業(yè)、汽車(chē)和消費類(lèi)產(chǎn)品。 表1列出了ADI窗口電壓監控器的示例，這些監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閾值的窗口電壓監控器
具有可選窗口的工廠(chǎng)調整電壓閾值 此類(lèi)型窗口電壓監控器架構提供工廠(chǎng)調整的電壓閾值，并為UV/OV閾值提供可選窗口。其中一些類(lèi)型提供單一或獨立欠壓和過(guò)壓輸出選項。 MAX6762采用此類(lèi)型架構。該器件提供固定的工廠(chǎng)調整電壓閾值，可監控0.9 V至5 V的系統電壓，并為定義的UV/OV閾值提供可選的±5%、±10%或±15%窗口，無(wú)需外部元件及其變體。窗口可通過(guò)SET引腳的狀態(tài)進(jìn)行選擇，以使系統工程師能夠靈活地優(yōu)化其設計。與我們討論的第一種類(lèi)型的架構不同，這些窗口電壓監控器的VCC是被監控電壓。因此，沒(méi)有單獨的監控引腳。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(chǎng)調整閾值的窗口電壓監控器的示例。 需要嚴格調節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，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(guò)度敏感和系統振蕩。通過(guò)該架構，設計人員可利用解決方案來(lái)平衡靈活性與復雜性。工廠(chǎng)調整的電壓無(wú)需外部電阻，同時(shí)允許通過(guò)SET引腳靈活地選擇合適的窗口，從而簡(jiǎn)化了解決方案。 圖5顯示了無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的簡(jiǎn)化電源樹(shù)示例。除了需要出色的噪聲性能，該應用還需要嚴格調節供電軌。低壓差(LDO)穩壓器等后線(xiàn)性穩壓器通常用于抑制開(kāi)關(guān)噪聲帶來(lái)的噪聲以及上游電源中開(kāi)關(guān)穩壓器的諧波分量，但有時(shí)，高性能開(kāi)關(guān)穩壓器便已足夠。然而，使用窗口電壓監控器可確保模擬和數字電源在工作時(shí)滿(mǎn)足嚴格的調節要求，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監控供電軌。由于使用的穩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(shù)示例。 表2列出了窗口電壓監控器的示例，這些監控器提供具有可選窗口的工廠(chǎng)調整電壓閾值。此類(lèi)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(chǎng)調整電壓閾值和可選窗口的窗口電壓監控器
提供單一UV/OV輸出的工廠(chǎng)調整電壓和窗口 此架構可在工廠(chǎng)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(lèi)型的架構之間的區別在于，UV/OV閾值的容差是工廠(chǎng)調整的。采用此架構的常見(jiàn)監控器提供單一復位輸出。此外，可在單芯片中監控多個(gè)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(chǎng)調整閾值和容差的功能框圖。 在圖6中，此類(lèi)型窗口電壓監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(lái)確定輸入條件。通過(guò)IN引腳分別為UVLO電平及被監控電壓的OV和UV監控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(chǎng)調整的標稱(chēng)輸入電壓，以及符合給定閾值精度規格的廣泛輸入容差選項。容差根據編程的標稱(chēng)輸入電壓設置UV/OV閾值水平。此外，該電壓監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%的雙通道監控電路，其選定的標稱(chēng)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(guān)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(guò)使用窗口電壓監控計算器獲得，該工具可幫助系統設計人員確保設備規格符合電源操作窗口等設計要求。圖7顯示，使用該標稱(chēng)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(chǎn)品頁(yè)面下載此工具：MAX16138、MAX16191、MAX16193、MAX16132至MAX16135、MAX16137。 其他采用相同架構的產(chǎn)品包括MAX16132至MAX1635，這是一系列低電壓、高精度單/雙/三/四電壓監控器，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控閾值精度為±1%，非常適合汽車(chē)高級駕駛輔助系統(ADAS)應用。這些器件提供多個(gè)標稱(chēng)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(shù)。圖8顯示了ADAS框圖的示例，其中窗口電壓監控器位于電源管理系統模塊中的電源監控器類(lèi)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控多個(gè)不同的電壓軌，范圍可能從1.8 V到5 V不等。當系統中的電源電壓無(wú)法提供足夠的電壓電平時(shí)，系統準確感知環(huán)境的能力就會(huì )受到負面影響。實(shí)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(gè)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(mǎn)足嚴格的調節要求。這些器件提供可在工廠(chǎng)編程設置的標稱(chēng)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。 該窗口電壓監控器通常用于協(xié)作機器人(cobot)等工業(yè)應用領(lǐng)域。協(xié)作機器人是一種自主機器人工人，負責執行重復性任務(wù)和危險任務(wù)，在共享工作空間內與人類(lèi)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(lèi)工人接觸時(shí)會(huì )自動(dòng)停止，然后等人類(lèi)工人離開(kāi)該區域后，又恢復工作。機器人系統的實(shí)時(shí)控制可通過(guò)FPGA的快速處理能力實(shí)現4。經(jīng)過(guò)微調的電機控制和穩定反饋回路等關(guān)鍵功能需要高精度電源系統監控器，而MAX16134可以提供此類(lèi)監控器。
圖9.協(xié)作機器人功能框圖。 表3中顯示的不同通用產(chǎn)品提供工廠(chǎng)調整的閾值電壓和容差選項，這些產(chǎn)品具有給定精度以及不同的通道數。 表3.具有工廠(chǎng)調整電壓閾值和容差的窗口電壓監控器
結論 窗口電壓監控器通過(guò)監控欠壓和過(guò)壓來(lái)降低電源故障的可能性，從而提高可靠性和系統穩健性。ADI提供多種窗口電壓監控器可供選擇，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，幫助系統架構師完成優(yōu)秀的設計。 參考文獻 1 Noel Tenorio�！半妷罕O控器如何解決電源噪聲和毛刺問(wèn)題”�！赌M對話(huà)》，第57卷，2023年11月。 2 Yuki Maita�！笆褂眯滦兔}沖繞組測試儀進(jìn)行高精度繞組測試”。EE Power，2019年12月。 3 Bonnie Baker�！翱词厥勘ＷoADAS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(dòng)化”。FPGA Insights，2023年8月。 |
