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          電壓監控器如何解決電源噪聲和毛刺問題

          2023-12-29 08:52:48 來源:Noel Tenorio,產品應用工程師

          摘要

          電壓監控器通過監控電源,在電源發生故障時將微控制器置于復位模式,可防止系統出現錯誤和故障,從而提高基于微控制器系統的可靠性。然而,噪聲、電壓毛刺和瞬變等電源缺陷都可能會導致誤復位問題,從而影響系統行為。本文介紹電壓監控器如何解決可能觸發誤復位的因素,以提高系統性能和可靠性。

           

          簡介

          對于需要使用現場可編程門陣列(FPGA)、微處理器、數字信號處理器和微控制器進行數據計算和處理的應用,都必須確保各器件能夠安全可靠地運行。由于這些器件只能在一定的電源容差范圍內運行,因此對電源的要求很高。1電壓監控器可用于保持系統穩定可靠運行。當電源出現意外故障(例如欠壓或過壓)時,電壓監控器可立即觸發操作,將系統置于重置模式。然而,它在監控電源軌中的電壓時也會面對一些干擾因素,這可能會觸發不必要的誤復位輸出。這些干擾包括電源噪聲、電壓瞬變和可能來自電源電路本身的毛刺。

          本文將討論電壓監控器中有助于解決這些電源噪聲、電壓瞬變和毛刺問題的不同參數。此外還將討論這些參數在監控電源時如何提高電壓監控器的可靠性,以提高系統在應用中的可靠性。


          系統中的電源噪聲、電壓瞬變和毛刺

          電源本身存在缺陷。直流電路中始終存在耦合的噪聲偽,這些偽可能來自電源電路元件本身、其他電源的噪聲以及系統產生的其他噪聲。如果直流電源是開關電源(SMPS),這些問題可能會更嚴重。SMPS會產生與開關頻率相關的開關紋波。在開關轉換期間還會發生高頻開關瞬變。這些開關轉換操作是功率MOSFET的快速導通關斷引起的。圖1所示為應用電路,其中MAX705監控器用于監控開關穩壓器的輸出(即微控制器的電壓源)是否存在任何問題。

           

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          1.MAX705監控器用于監控開關穩壓器輸出,這也是微控制器的輸入電壓源。

           

          除了穩態運行噪聲偽外,電源中還存在電壓瞬變更為明顯的情況。在啟動過程中,通常會觀察到與電源反饋環路響應相關的電壓輸出過沖,隨后會出現一段時間的電壓振鈴,直至電壓穩定。如果未對反饋環路補償值進行優化,這種振鈴可能會更嚴重。在瞬態或動態負載期間也可以觀察到電壓過沖和欠沖。在具體應用中,有時負載需要更多電流來執行復雜的過程,從而導致電壓欠沖。另一方面,立即或以快速斜坡速率減少負載將會導致電壓過沖。由于外部因素,電源也可能出現短時電壓毛刺。圖2顯示在不同場景下,電源電壓可能出現不同的電壓瞬變和毛刺。

           

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          2.針對不同場景下的電源電壓可觀察到的電壓瞬變和毛刺。

           

          系統中還可能會出現與電源電壓無關的電壓瞬變,例如在某些應用的機械開關或導電卡等用戶界面發生瞬變。打開和關閉開關會在輸入引腳(通常是手動復位引腳)上產生電壓瞬變和噪聲。所有這些因素(電源噪聲、電壓瞬變和毛刺)都可能無意中達到監控器的欠壓或過壓閾值,如果設計中沒有充分考慮這種可能性,也會觸發誤復位。這可能會導致振蕩和不穩定,不利于系統保持穩定可靠。

          電壓監控器如何解決噪聲和瞬變問題,防止系統出現誤復位?通過一些參數,可以幫助屏蔽與電源或監控電壓相關的瞬變。這些參數包括復位超時周期、復位閾值遲滯以及復位閾值過驅與持續時間的變化關系。同時,對于與電路中的機械觸點相關的瞬變,例如手動復位引腳中的按鈕開關,利用手動復位設置周期和去抖時間也可屏蔽瞬變。這些參數能夠使電壓監控器更穩健,不受瞬變和毛刺的影響,從而防止系統出現不良響應。

          復位超時周期(tRP)

          在啟動期間或電源電壓因欠壓事件而上升并超過閾值時,復位信號在無效之前有一段額外的時間,稱為復位超時周期(tRP)。2例如,圖3顯示,受監控的電壓(本例中為標記為VCC電源電壓)從欠壓或啟動狀態達到閾值之后,在低電平有效復位高電平無效之前存在額外延遲。這段額外的時間能夠讓監控電壓先穩定下來,并在啟用系統或使其退出復位模式之前屏蔽過沖和振鈴。復位超時周期可抑制系統誤復位,防止出現振蕩和潛在故障,從而有助于提高系統的可靠性。

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          3.復位超時周期(tRP)有助于在電源電壓穩定時使系統保持復位模式。

           

          閾值遲滯(VTH+)

          閾值遲滯主要有兩個好處。首先,它可以確保監控電壓在解除復位之前具有足夠的余量超過閾值電平。其次,它能夠讓電源在解除復位之前先穩定下來。當處理具有疊加噪聲的信號時,隨著電源波動并重新跨越閾值區域,復位輸出有可能會進行多次轉換。如圖4.3所示,在工業環境等應用中,隨時可能出現噪聲信號和電壓波動。如果沒有閾值遲滯,復位輸出信號將會在置位和解除置位之間連續切換,直到電源穩定為止。這會使系統陷入振蕩。閾值遲滯通過使系統保持復位來消除振蕩,可防止系統出現圖4中藍色陰影區域所示的不良行為。這有助于監控器保護系統,避免觸發誤復位。

           


           

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          4.未設定閾值遲滯和設定閾值遲滯的RESET輸出響應(未顯示復位超時周期,以重點關注遲滯的影響)。

           

          復位閾值過驅與持續時間

          任何系統中都可能出現短期或長期由外部因素引起的電壓毛刺。還可能具有不同幅度的電壓突降。復位閾值過驅與瞬變持續時間的變化關系與電壓毛刺或過驅的幅度和持續時間有關。幅度較大的短時毛刺不會觸發復位信號置位,而幅度較小且持續時間較長的過驅將觸發復位,如圖5所示。

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          5.幅度較小但持續時間較長的毛刺將觸發復位信號,而幅度較大的短時毛刺則不會觸發復位信號。

           

          根據毛刺持續時間,受監控電源中的某些電壓瞬變將會忽略。忽略這些瞬變將會保護系統免受干擾復位的影響,例如由短期毛刺引起的復位。這些毛刺可能會誤觸發系統復位,從而導致系統出現不良行為。在產品數據手冊中,復位閾值過驅與持續時間的關系通常以一個典型性能特性圖的形式呈現,如圖6所示。曲線上方的任何值都將觸發復位輸出,而曲線內的值將會忽略,以防止系統誤復位。

           

          圖片25.png 

          6.復位信號是否置位將取決于過驅的幅度及其持續時間。


          手動復位設置周期(tMR)和去抖時間(tDB)

          復位超時周期、閾值過驅與持續時間的關系以及閾值遲滯可解決與受監控電壓(通常是系統微控制器的電源)相關的電壓毛刺和瞬變問題。對于開關等機械觸點帶來的毛刺,手動復位設置周期和去抖時間有助于減輕電壓瞬變和毛刺可能產生的影響。

          手動復位設置周期(tMR)是手動復位在觸發復位輸出之前保持并完成所需的時間。一些監控器具有較長的手動復位設置周期,以增強對系統的保護。這些在消費電子產品中很常見,必需按住按鈕幾秒鐘才能重置系統。這種方法可避免意外和無意中重置,從而增強保護并提高可靠性。在手動復位設置期間,按下開關時產生的所有短時瞬變和毛刺都會被忽略,如圖7a所示,從而幫助系統免受毛刺影響。

          去抖時間也是同樣的邏輯。與建立周期一樣,去抖時間(tDB)會忽略打開或關閉開關時的高頻周期性電壓瞬變。這些高頻瞬變將視為無效,不會觸發復位,如圖7b所示。當信號超過去抖時間時,即認為這是來自開關或按鈕的有效輸入信號。

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          7.具有較長手動復位設置周期的監控器(MAX6444)的手動復位設置周期和去抖時間圖:(a)在復位信號有效之前,需要首先完成手動復位建立周期(tMR);(b)要視為有效輸入信號,需要完成去抖時間(tDB)。

          結論

          如果沒有電壓監控器,系統在電壓瞬變和毛刺期間就會面臨斷電和發生故障的風險。在這些情況下,電壓監控器通過將處理器置于復位模式來解決問題。上面討論的所有參數(包括復位超時周期、閾值遲滯、閾值過驅、手動復位設置周期和去抖時間)有助于電壓監控器免受故障和瞬變的影響,從而增強其監控電源電壓的可靠性。因此,能夠確保整體系統性能穩定可靠。


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