摘要：MAX6870六電壓排序器/監(jiān)視器為簡(jiǎn)化復(fù)雜設(shè)計(jì)提供了一個(gè)完全集成的方案。該款EEPROM配置器件在設(shè)置門(mén)限、輸出結(jié)構(gòu)和延時(shí)方面具有極大的靈活性。

在大多數(shù)電子設(shè)備中，對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行監(jiān)視是非常重要的，這樣可保證處理器和其它IC在系統(tǒng)上電時(shí)被復(fù)位，還可以監(jiān)測(cè)到電壓的下降，從而把代碼執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題的概率降到最小，避免存儲(chǔ)器發(fā)生沖突或者系統(tǒng)工作不正常。在高端產(chǎn)品中，系統(tǒng)中各電源的上電順序也很關(guān)鍵。正確的上電順序可以避免閉鎖(latch-up)現(xiàn)象的發(fā)生，從而防止系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題而導(dǎo)致一些重要元件的損壞，如微控制器(μC)、 DSP、ASIC和微處理器等。通常要實(shí)現(xiàn)這里所說(shuō)的正確加電次序和監(jiān)視功能，往往需要一個(gè)或多個(gè)監(jiān)控芯片。

在以往的電子設(shè)備中，這些功能常常是借助上電復(fù)位電路和微處理器監(jiān)控電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。近年來(lái)，隨著系統(tǒng)電源電壓種類(lèi)的增多，實(shí)現(xiàn)上述功能所需的器件數(shù)目也越來(lái)越多，因此系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，成本也會(huì)提高，還會(huì)增大電路板面積。

復(fù)雜系統(tǒng)的電壓監(jiān)視和上電次序控制

監(jiān)測(cè)電源電壓最簡(jiǎn)單的方法就是通過(guò)上電復(fù)位電路(POR)或者電壓檢測(cè)電路。這些電路既可對(duì)單個(gè)電源電壓進(jìn)行檢測(cè)，也可對(duì)多個(gè)電源電壓進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)被檢測(cè)的電源加電后，電源電壓超過(guò)POR電壓門(mén)限之后要再過(guò)一段時(shí)間，POR輸出才發(fā)生變化，指示電源電壓已經(jīng)正常，這樣就可使系統(tǒng)時(shí)鐘穩(wěn)定下來(lái)，同時(shí)保證在微處理器工作之前完成系統(tǒng)引導(dǎo)和初始化工作。POR電路和電壓檢測(cè)器也可用于電源上電次序的控制。把用來(lái)監(jiān)視某個(gè)穩(wěn)壓器電壓的POR電路的輸出接到下一個(gè)穩(wěn)壓器的關(guān)斷控制引腳(也就是鏈環(huán)起來(lái))，這樣就會(huì)使一個(gè)穩(wěn)壓器工作正常后再經(jīng)過(guò)一個(gè)設(shè)定的延遲，下一個(gè)電源才開(kāi)始工作。

當(dāng)系統(tǒng)需要的電源電壓的數(shù)目增加時(shí)，就需要用多個(gè)電壓監(jiān)視器和電壓監(jiān)控器對(duì)電壓進(jìn)行監(jiān)視了。由于一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)通常可能需要10~16個(gè)電源電壓，因此也就需要多個(gè)此類(lèi)電壓監(jiān)控器件。

采用多個(gè)監(jiān)控電路時(shí)會(huì)遇到的問(wèn)題

采用多個(gè)監(jiān)控電路也存在自身的問(wèn)題。其中之一就是如何才能找到可滿足不同門(mén)限電壓要求的監(jiān)視器件。盡管有多種標(biāo)準(zhǔn)電源電壓的檢測(cè)器件，如3.3V、2.5V、1.8V、1.5V和1.2V，但是還有許多非標(biāo)準(zhǔn)電壓也需要監(jiān)視。對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)電壓的監(jiān)視，可以采用外接電阻分壓器的方法來(lái)設(shè)定監(jiān)視門(mén)限電壓。如果采用了這種方案，當(dāng)系統(tǒng)電源電壓變化時(shí)(例如為了降低功耗而降低ASIC內(nèi)核工作電壓；或者為提高ASIC的性能而增加ASIC內(nèi)核電源電壓)，就不得不改變電阻分壓器中電阻的阻值，才能適應(yīng)這些新的電壓。要想使檢測(cè)電路具有這種靈活性，就需要外接電阻，當(dāng)然電路板也就會(huì)隨之變大，成本也會(huì)隨之提高。選擇正確的復(fù)位超時(shí)間隔時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)同樣的問(wèn)題。

當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)要求它的電源必須按照特定的順序依次上電時(shí)，采用多個(gè)監(jiān)控器電路還會(huì)遇到另外一個(gè)問(wèn)題。對(duì)于具有多個(gè)電源的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，若所有電源同時(shí)加電，上面提到的鏈環(huán)技術(shù)也許不能保證定時(shí)絕對(duì)滿足要求。如果在開(kāi)發(fā)過(guò)程中還需要對(duì)電源的上電順序進(jìn)行調(diào)整，那么監(jiān)控器電路也就不得不隨之進(jìn)行相應(yīng)的改變，這將是非常麻煩的。

當(dāng)這些大系統(tǒng)采用“銀盒”電源或者“磚型”電源時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)其它的順序上電問(wèn)題。采用“銀盒”電源或者“磚型”電源會(huì)簡(jiǎn)化電源的設(shè)計(jì)，但是當(dāng)要求電源按照特定順序依次上電時(shí)，就會(huì)遇到一些問(wèn)題。例如可提供多種電壓的磚型電源可能只有一個(gè)使能控制引腳，在該引腳的控制下，磚型電源的所有電源輸出會(huì)同時(shí)打開(kāi)或同時(shí)關(guān)閉。采用有多個(gè)使能(或關(guān)斷)輸入的磚型電源可以解決這個(gè)問(wèn)題。然而，如果多個(gè)IC共用同一個(gè)電源(如3.3V I/O邏輯電路電源和1.8V內(nèi)核電源)，那么這兩個(gè)IC的電源要求彼此之間就有可能相互沖突，一個(gè)器件也許要求內(nèi)核電源要在I/O電源之前，而另外一個(gè)IC的要求可能正好相反。

以上問(wèn)題可以通過(guò)外接開(kāi)關(guān)(如MOSFET)來(lái)解決。在小功率產(chǎn)品中，可采用p溝道MOSFET。通常p溝道MOSFET比n溝道MOSFET要貴一些，但是使用簡(jiǎn)單。由于n溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻更低，可以減小開(kāi)關(guān)兩端的電壓降，故適合于大電流產(chǎn)品，也可用于給工作電壓非常低的內(nèi)核供電。但是，要想充分發(fā)揮n溝道MOSFET的開(kāi)關(guān)性能，電源電壓還要足夠高，這樣才能為柵極－源極提供適當(dāng)?shù)碾妷骸Ｏ到y(tǒng)中如果沒(méi)有這樣較高的電源電壓，可采用電源排序器MAX6819/MAX6820來(lái)控制順序上電過(guò)程，其內(nèi)部的電荷泵可以保證柵極－源極之間的電壓為5V。這個(gè)壓降對(duì)一些系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是太高了，因此電路板設(shè)計(jì)人員有時(shí)就干脆將穩(wěn)壓器數(shù)目翻番，以避免出現(xiàn)上電順序方面的問(wèn)題。

當(dāng)電源電壓的數(shù)目增加時(shí)，可使用多個(gè)MAX6819/MAX6820配合工作以實(shí)現(xiàn)電源管理任務(wù)。當(dāng)使用多個(gè)POR電路時(shí)，這些上電順序控制電路可以采用鏈環(huán)的方式。然而當(dāng)需要的電源電壓很多時(shí)，這種方案需要的分立IC就太多，增加了系統(tǒng)總成本，還浪費(fèi)了板面空間。

余量(margining)功能

對(duì)電源電壓進(jìn)行檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)上電順序控制對(duì)系統(tǒng)高度穩(wěn)定來(lái)說(shuō)是非常重要的。對(duì)于電信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備等常用的大型復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，還需要對(duì)一些關(guān)鍵元件另外進(jìn)行測(cè)試。余量測(cè)試就是一個(gè)例子，也就是檢查電源電壓瞬時(shí)變高或變低時(shí)系統(tǒng)的性能。余量通常是在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定，在制造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的。余量用于改善一個(gè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

對(duì)電源電壓進(jìn)行調(diào)整可以通過(guò)如下辦法：微調(diào)穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)輸入(對(duì)于電壓穩(wěn)壓器模塊而言)、改變電壓穩(wěn)壓器反饋環(huán)路、調(diào)整“磚型”電源的trim輸入、通過(guò)接口對(duì)穩(wěn)壓器進(jìn)行編程。余量控制可分為不同的等級(jí)，一種就是所謂的“全或無(wú)”(all or nothing)，也就是電源電壓按固定量(如±5%或±10%)增加\減少，另外一種更精確的方法就是讓電源電壓按較小的步長(zhǎng)(如10mV或100mV)增加或減小，這樣就可對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行更細(xì)致的評(píng)估。如果希望得到系統(tǒng)在正常工作和余量控制時(shí)的詳細(xì)信息，可以采用數(shù)模變換器(ADC)來(lái)進(jìn)行精確的測(cè)量。需要提醒的是，在余量過(guò)程中，要關(guān)斷控制微處理器的POR電路，以避免系統(tǒng)復(fù)位。

對(duì)一個(gè)大系統(tǒng)進(jìn)行余量控制是一項(xiàng)相當(dāng)繁復(fù)的工作，因此可采用多個(gè)監(jiān)控芯片，讓它們承擔(dān)電壓檢測(cè)和上電順序控制任務(wù)的同時(shí)，一并實(shí)現(xiàn)余量控制。然而，這種方法也可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，那就是除了導(dǎo)致IC成本提高、電路板變大之外，要想改變電源電壓電平或器件的上電順序，將是非常困難的。這是因?yàn)樗蟮脑O(shè)計(jì)變更非常繁瑣。

集成化系統(tǒng)管理芯片

一種解決電源監(jiān)視和上電順序控制的最簡(jiǎn)單的辦法就是采用高度集成的、EEPROM可配置的系統(tǒng)管理芯片，如MAX6870。該芯片集成了電源電壓檢測(cè)、電源上電順序控制和簡(jiǎn)化余量過(guò)程所需的全部功能。MAX6780的靈活性體現(xiàn)在：可以很方便的改變多個(gè)輸入的電壓門(mén)限、可以任意改變電源上電順序、可以把輸入任意配置為開(kāi)漏、推挽或者加強(qiáng)型電荷泵結(jié)構(gòu)、可以把其數(shù)字輸入和數(shù)字輸出設(shè)置為高電平有效或者低電平有效，此外，在余量過(guò)程中輸出既可被禁止也可設(shè)為預(yù)定的狀態(tài)。

圖1為MAX6870的內(nèi)部功能框圖。該電路有6個(gè)輸入，可用于監(jiān)視系統(tǒng)中各個(gè)電源的電壓，還可同時(shí)承擔(dān)其它任務(wù)。每個(gè)輸入都有兩種門(mén)限電平可供選擇，既可設(shè)置為兩個(gè)都是欠壓檢測(cè)狀態(tài)，也可設(shè)置為一個(gè)是過(guò)壓檢測(cè)狀態(tài)而另一個(gè)是欠壓檢測(cè)狀態(tài)(即窗口檢測(cè)器)。門(mén)限電平可以通過(guò)I2C*接口來(lái)進(jìn)行設(shè)置，并保存在配置EEPROM中。門(mén)限電平的范圍為0.5V~5.5V，根據(jù)選擇的門(mén)限電平，步長(zhǎng)可以是10mV或20mV。IN1可以檢測(cè)的電壓高達(dá)13.2V，因此直接用來(lái)檢測(cè)12V (或稍低)的系統(tǒng)總線電壓。第二個(gè)輸入IN2用來(lái)檢測(cè)另外一個(gè)較高的電壓或是負(fù)電壓。其它輸入IN3-IN6用來(lái)檢測(cè)0.5V~5.5V范圍內(nèi)的電源電壓。

查看大圖
圖1. 該芯片可以監(jiān)視多個(gè)電源電壓并能進(jìn)行上電順序控制，可以讀出檢測(cè)電壓經(jīng)AD后的值，內(nèi)帶EEPROM，一些關(guān)鍵參數(shù)如門(mén)限電平、定時(shí)、邏輯、輸出結(jié)構(gòu)都可以很方便的進(jìn)行調(diào)整。

先由內(nèi)部多路復(fù)用器將這6個(gè)檢測(cè)器輸入和兩個(gè)輔助輸入切換到10位、精度為1％的ADC。然后由ADC把8個(gè)輸入電壓數(shù)字化后寫(xiě)入內(nèi)部寄存器。在進(jìn)行余量過(guò)程、微調(diào)電源輸出電壓、檢查系統(tǒng)電壓的長(zhǎng)期穩(wěn)定性時(shí)，通常可通過(guò)I2C接口來(lái)調(diào)用這些被存儲(chǔ)起來(lái)的電壓值。與此同時(shí)，利用輔助輸入端可以獲得兩個(gè)附加輸入的電壓值，例如電流傳感放大器的輸入電壓或溫度傳感器的輸入電壓。

只要IN3-IN6中任意一個(gè)輸入端的電壓超過(guò)2.7V的最小工作電壓，或者IN1上的電壓超過(guò)4V，芯片就開(kāi)始工作。以上輸入中的任何一個(gè)都可通過(guò)圖1所示的二極管為芯片供電。

根據(jù)內(nèi)部可編程邏輯陣列的連接設(shè)置，這6個(gè)檢測(cè)器輸入和4個(gè)公用輸入(GPI)即決定了8個(gè)輸出的狀態(tài)。同樣，通過(guò)把輸入和輸出進(jìn)行混接，一些輸出就可以由該器件的其它輸出來(lái)控制。每個(gè)輸出的延遲可獨(dú)立設(shè)置并保存在電路內(nèi)部的EEPROM中。

該器件的輸出也可以進(jìn)行設(shè)置，可以設(shè)為內(nèi)上拉開(kāi)漏結(jié)構(gòu)或外上拉開(kāi)漏結(jié)構(gòu)，也可以設(shè)為推挽結(jié)構(gòu)，輸出端可在芯片內(nèi)部直接接到任何一個(gè)被檢測(cè)的電源電壓。所有輸出既可以設(shè)為高電平有效，也可設(shè)為低電平有效。如上所述，也可用輸入、輸出的不同組合來(lái)驅(qū)動(dòng)每一個(gè)輸出，MAX6870的可編程邏輯陣列可以進(jìn)行很多種連接，例如，OUT2可以由IN2控制，也可以由OUT1控制，當(dāng)要求OUT1信號(hào)驅(qū)動(dòng)的電源比OUT2信號(hào)驅(qū)動(dòng)的電源早出現(xiàn)時(shí)，就需要采用這樣的連接。

MAX6870內(nèi)部還有一個(gè)電荷泵，允許OUT1-OUT4直接外接N溝道開(kāi)關(guān)器件，而無(wú)需其它電源。該器件的另外一個(gè)特點(diǎn)是內(nèi)帶兩個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，看門(mén)狗超時(shí)時(shí)間和起始延遲可以自行設(shè)定。看門(mén)狗在復(fù)位操作后產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的起始延遲，以供系統(tǒng)在這段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行初始化、存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的上傳和軟件的例行測(cè)試。

人工復(fù)位輸入允許測(cè)試技術(shù)人員手動(dòng)控制所有的輸出。該集成電路的余量輸入可用于鎖存各輸出的當(dāng)前狀態(tài)，防止系統(tǒng)在余量過(guò)程中復(fù)位。通過(guò)對(duì)相關(guān)EEPROM寄存器進(jìn)行編程的方法，也可用余量輸入來(lái)把各輸出設(shè)為預(yù)定狀態(tài)。MAX6870還有4kb的用戶EEPROM，用來(lái)保存一些其它內(nèi)容，如電路板序列號(hào)、電路板版本號(hào)和其它信息。

此外，MAX6870還有配置寄存器和配置EEPROM。在項(xiàng)目樣機(jī)開(kāi)發(fā)階段，可以把要修改的數(shù)據(jù)寫(xiě)入配置寄存器，系統(tǒng)配置就會(huì)馬上改變。如果需要保存這些修改，可以隨后再寫(xiě)入到配置EEPROM中。如果需要把配置EEPROM的數(shù)據(jù)重新調(diào)入，可以通過(guò)軟起動(dòng)或者硬啟動(dòng)的方法重新啟動(dòng)系統(tǒng)。在啟動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)把EEPROM的數(shù)據(jù)下載到配置寄存器。

MAX6870評(píng)估板

為簡(jiǎn)化MAX6870的配置過(guò)程，提供了一個(gè)評(píng)估板，通過(guò)點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)屏幕即可輸入正確的配置信息。每一個(gè)頁(yè)面都可以對(duì)器件的部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，而不需要參考注冊(cè)表。可以通過(guò)屏幕來(lái)設(shè)置門(mén)限電平、延遲、邏輯工作狀態(tài)(高電平有效還是低電平有效)、邏輯輸入和輸出結(jié)構(gòu)。

圖2是MAX6870評(píng)估軟件的主要架構(gòu)。可以點(diǎn)擊方框圖或標(biāo)簽中的某一個(gè)方框?qū)ζ溥M(jìn)行設(shè)置。點(diǎn)擊某一標(biāo)簽可打開(kāi)對(duì)應(yīng)的功能頁(yè)面。例如，點(diǎn)擊Voltage Monitor標(biāo)簽(圖3)，可在隨后顯示的頁(yè)面上輕松選擇門(mén)限電平以及對(duì)輸入進(jìn)行配置；點(diǎn)擊Outputs標(biāo)簽(圖4)，可以把輸出類(lèi)型設(shè)置為開(kāi)漏、推挽或加強(qiáng)型電荷泵，還可以設(shè)置決定輸出狀態(tài)的輸出邏輯。

圖2. 點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的方框或標(biāo)簽，可以進(jìn)行門(mén)限電壓、延遲、輸出結(jié)構(gòu)和邏輯的設(shè)置。

圖3. 點(diǎn)擊Voltage Monitor標(biāo)簽，可以設(shè)定每一個(gè)輸入是監(jiān)視兩個(gè)欠壓電平還是一個(gè)欠壓電平和一個(gè)過(guò)壓電平，還可以設(shè)置門(mén)限值，也可選擇要查看哪一個(gè)數(shù)字輸入。

圖4. 點(diǎn)擊Outputs標(biāo)簽，可以把每個(gè)輸出配置為開(kāi)漏結(jié)構(gòu)、推挽結(jié)構(gòu)或者增強(qiáng)型電荷泵結(jié)構(gòu)。每個(gè)輸出連接到內(nèi)部的可編程邏輯陣列，可用來(lái)控制其它輸出。