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

在大多數(shù)電子設(shè)備中，對系統(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)上電時被復(fù)位，還可以監(jiān)測到電壓的下降，從而把代碼執(zhí)行過程中出現(xiàn)問題的概率降到最小，避免存儲器發(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。通常要實現(xiàn)這里所說的正確加電次序和監(jiān)視功能，往往需要一個或多個監(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)控電路來實現(xiàn)的。近年來，隨著系統(tǒng)電源電壓種類的增多，實現(xiàn)上述功能所需的器件數(shù)目也越來越多，因此系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，成本也會提高，還會增大電路板面積。

復(fù)雜系統(tǒng)的電壓監(jiān)視和上電次序控制

監(jiān)測電源電壓最簡單的方法就是通過上電復(fù)位電路(POR)或者電壓檢測電路。這些電路既可對單個電源電壓進(jìn)行檢測，也可對多個電源電壓進(jìn)行檢測。當(dāng)被檢測的電源加電后，電源電壓超過POR電壓門限之后要再過一段時間，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)時鐘穩(wěn)定下來，同時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電路和電壓檢測器也可用于電源上電次序的控制。把用來監(jiān)視某個穩(wěn)壓器電壓的POR電路的輸出接到下一個穩(wěn)壓器的關(guān)斷控制引腳(也就是鏈環(huán)起來)，這樣就會使一個穩(wěn)壓器工作正常后再經(jīng)過一個設(shè)定的延遲，下一個電源才開始工作。

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

采用多個監(jiān)控電路時會遇到的問題

采用多個監(jiān)控電路也存在自身的問題。其中之一就是如何才能找到可滿足不同門限電壓要求的監(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設(shè)定監(jiān)視門限電壓。如果采用了這種方案，當(dāng)系統(tǒng)電源電壓變化時(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)然電路板也就會隨之變大，成本也會隨之提高。選擇正確的復(fù)位超時間隔時，也會出現(xiàn)同樣的問題。

當(dāng)一個系統(tǒng)要求它的電源必須按照特定的順序依次上電時，采用多個監(jiān)控器電路還會遇到另外一個問題。對于具有多個電源的系統(tǒng)來說，若所有電源同時加電，上面提到的鏈環(huán)技術(shù)也許不能保證定時絕對滿足要求。如果在開發(fā)過程中還需要對電源的上電順序進(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，還會出現(xiàn)其它的順序上電問題。采用“銀盒”電源或者“磚型”電源會簡化電源的設(shè)計，但是當(dāng)要求電源按照特定順序依次上電時，就會遇到一些問題。例如可提供多種電壓的磚型電源可能只有一個使能控制引腳，在該引腳的控制下，磚型電源的所有電源輸出會同時打開或同時關(guān)閉。采用有多個使能(或關(guān)斷)輸入的磚型電源可以解決這個問題。然而，如果多個IC共用同一個電源(如3.3V I/O邏輯電路電源和1.8V內(nèi)核電源)，那么這兩個IC的電源要求彼此之間就有可能相互沖突，一個器件也許要求內(nèi)核電源要在I/O電源之前，而另外一個IC的要求可能正好相反。

以上問題可以通過外接開關(guān)(如MOSFET)來解決。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，但是使用簡單。由于n溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻更低，可以減小開關(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?。系統(tǒng)中如果沒有這樣較高的電源電壓，可采用電源排序器MAX6819/MAX6820來控制順序上電過程，其內(nèi)部的電荷泵可以保證柵極－源極之間的電壓為5V。這個壓降對一些系統(tǒng)來說是太高了，因此電路板設(shè)計人員有時就干脆將穩(wěn)壓器數(shù)目翻番，以避免出現(xiàn)上電順序方面的問題。

當(dāng)電源電壓的數(shù)目增加時，可使用多個MAX6819/MAX6820配合工作以實現(xiàn)電源管理任務(wù)。當(dāng)使用多個POR電路時，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，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

對電源電壓進(jìn)行檢測并實現(xiàn)上電順序控制對系統(tǒng)高度穩(wěn)定來說是非常重要的。對于電信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器和存儲設(shè)備等常用的大型復(fù)雜系統(tǒng)來說，還需要對一些關(guān)鍵元件另外進(jìn)行測試。余量測試就是一個例子，也就是檢查電源電壓瞬時變高或變低時系統(tǒng)的性能。余量通常是在設(shè)計時設(shè)定，在制造過程中實現(xiàn)的。余量用于改善一個系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。

對電源電壓進(jìn)行調(diào)整可以通過如下辦法：微調(diào)穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)輸入(對于電壓穩(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、通過接口對穩(wěn)壓器進(jìn)行編程。余量控制可分為不同的等級，一種就是所謂的“全或無”(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(如10mV或100mV)增加或減小，這樣就可對系統(tǒng)性能進(jìn)行更細(xì)致的評估。如果希望得到系統(tǒng)在正常工作和余量控制時的詳細(xì)信息，可以采用數(shù)模變換器(ADC)來進(jìn)行精確的測量。需要提醒的是，在余量過程中，要關(guān)斷控制微處理器的POR電路，以避免系統(tǒng)復(fù)位。

對一個大系統(tǒng)進(jìn)行余量控制是一項相當(dāng)繁復(fù)的工作，因此可采用多個監(jiān)控芯片，讓它們承擔(dān)電壓檢測和上電順序控制任務(wù)的同時，一并實現(xiàn)余量控制。然而，這種方法也可能會出現(xiàn)問題，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。這是因為所要求的設(shè)計變更非常繁瑣。

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、電源上電順序控制和簡化余量過程所需的全部功能。MAX6780的靈活性體現(xiàn)在：可以很方便的改變多個輸入的電壓門限、可以任意改變電源上電順序、可以把輸入任意配置為開漏、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個輸入，可用于監(jiān)視系統(tǒng)中各個電源的電壓，還可同時承擔(dān)其它任務(wù)。每個輸入都有兩種門限電平可供選擇，既可設(shè)置為兩個都是欠壓檢測狀態(tài)，也可設(shè)置為一個是過壓檢測狀態(tài)而另一個是欠壓檢測狀態(tài)(即窗口檢測器)。門限電平可以通過I2C*接口來進(jìn)行設(shè)置，并保存在配置EEPROM中。門限電平的范圍為0.5V~5.5V，根據(jù)選擇的門限電平，步長可以是10mV或20mV。IN1可以檢測的電壓高達(dá)13.2V，因此直接用來檢測12V (或稍低)的系統(tǒng)總線電壓。第二個輸入IN2用來檢測另外一個較高的電壓或是負(fù)電壓。其它輸入IN3-IN6用來檢測0.5V~5.5V范圍內(nèi)的電源電壓。

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圖1. 該芯片可以監(jiān)視多個電源電壓并能進(jìn)行上電順序控制，可以讀出檢測電壓經(jīng)AD后的值，內(nèi)帶EEPROM，一些關(guān)鍵參數(shù)如門限電平、定時、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個檢測器輸入和兩個輔助輸入切換到10位、精度為1％的ADC。然后由ADC把8個輸入電壓數(shù)字化后寫入內(nèi)部寄存器。在進(jìn)行余量過程、微調(diào)電源輸出電壓、檢查系統(tǒng)電壓的長期穩(wěn)定性時，通?？赏ㄟ^I2C接口來調(diào)用這些被存儲起來的電壓值。與此同時，利用輔助輸入端可以獲得兩個附加輸入的電壓值，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中任意一個輸入端的電壓超過2.7V的最小工作電壓，或者IN1上的電壓超過4V，芯片就開始工作。以上輸入中的任何一個都可通過圖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個檢測器輸入和4個公用輸入(GPI)即決定了8個輸出的狀態(tài)。同樣，通過把輸入和輸出進(jìn)行混接，一些輸出就可以由該器件的其它輸出來控制。每個輸出的延遲可獨立設(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)上拉開漏結(jié)構(gòu)或外上拉開漏結(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被檢測的電源電壓。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、輸出的不同組合來驅(qū)動每一個輸出，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信號驅(qū)動的電源比OUT2信號驅(qū)動的電源早出現(xiàn)時，就需要采用這樣的連接。

MAX6870內(nèi)部還有一個電荷泵，允許OUT1-OUT4直接外接N溝道開關(guān)器件，而無需其它電源。該器件的另外一個特點是內(nèi)帶兩個看門狗定時器，看門狗超時時間和起始延遲可以自行設(shè)定?？撮T狗在復(fù)位操作后產(chǎn)生一個長時間的起始延遲，以供系統(tǒng)在這段時間內(nèi)進(jìn)行初始化、存儲器數(shù)據(jù)的上傳和軟件的例行測試。

人工復(fù)位輸入允許測試技術(shù)人員手動控制所有的輸出。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)在余量過程中復(fù)位。通過對相關(guān)EEPROM寄存器進(jìn)行編程的方法，也可用余量輸入來把各輸出設(shè)為預(yù)定狀態(tài)。MAX6870還有4kb的用戶EEPROM，用來保存一些其它內(nèi)容，如電路板序列號、電路板版本號和其它信息。

此外，MAX6870還有配置寄存器和配置EEPROM。在項目樣機(jī)開發(fā)階段，可以把要修改的數(shù)據(jù)寫入配置寄存器，系統(tǒng)配置就會馬上改變。如果需要保存這些修改，可以隨后再寫入到配置EEPROM中。如果需要把配置EEPROM的數(shù)據(jù)重新調(diào)入，可以通過軟起動或者硬啟動的方法重新啟動系統(tǒng)。在啟動過程中，系統(tǒng)會把EEPROM的數(shù)據(jù)下載到配置寄存器。

MAX6870評估板

為簡化MAX6870的配置過程，提供了一個評估板，通過點擊計算機(jī)屏幕即可輸入正確的配置信息。每一個頁面都可以對器件的部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，而不需要參考注冊表?？梢酝ㄟ^屏幕來設(shè)置門限電平、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評估軟件的主要架構(gòu)?？梢渣c擊方框圖或標(biāo)簽中的某一個方框?qū)ζ溥M(jìn)行設(shè)置。點擊某一標(biāo)簽可打開對應(yīng)的功能頁面。例如，點擊Voltage Monitor標(biāo)簽(圖3)，可在隨后顯示的頁面上輕松選擇門限電平以及對輸入進(jìn)行配置；點擊Outputs標(biāo)簽(圖4)，可以把輸出類型設(shè)置為開漏、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. 點擊對應(yīng)的方框或標(biāo)簽，可以進(jìn)行門限電壓、延遲、輸出結(jié)構(gòu)和邏輯的設(shè)置。

圖3. 點擊Voltage Monitor標(biāo)簽，可以設(shè)定每一個輸入是監(jiān)視兩個欠壓電平還是一個欠壓電平和一個過壓電平，還可以設(shè)置門限值，也可選擇要查看哪一個數(shù)字輸入。

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