原标题：了解和应用监控IC以避免低压上电毛刺问题

　　经验丰富的工程师知道，系统最危险的时刻之一就是通电时。根据时间常数以及电源轨达到标称值的平滑和快速程度，不同的 IC 和系统部件可能会在尝试相互配合时启动、锁定或以不正确的模式启动。增加挑战的是，上电时 IC 的时序和转换相关性能可能是温度、相关电容器、机械应力、老化和其他因素的函数。

　　随着工作电压轨下降到较低的个位数值，潜在的问题变得更加严重，从而减少了“松弛”量或使用标称轨值运行的余量。所有这些因素都可能导致不一致的启动性能和令人沮丧的调试会话。

　　出于这些原因，模拟 IC 供应商设计了专门的 IC，这些 IC 提供了消除上电不确定性和不一致的监督管理功能。本文将定义和描述毛刺问题，然后展示如何通过添加一些来自Analog Devices的小型专用 IC 来避免毛刺问题。

　　什么是故障?

　　与“缓冲区”或“可编程”等许多工程术语一样，“故障”一词根据上下文具有不同的含义。故障可能是：

　　信号或电源线上的噪声引起的尖峰

　　由于负载瞬态，电源轨突然短暂下降

　　由于栅极驱动器的开启/关闭时间不同，桥中的上下 MOSFET 同时开启的微秒周期(非常糟糕的情况)

　　由于时序容差和组件之间的差异而导致的瞬时不确定信号和竞争条件

　　本文着眼于在“通电”期间可能发生的毛刺，当电源打开时，IC 正在过渡到其正常工作状态，尤其是在低压系统中。这种开机故障尤其令人沮丧，因为它们会导致间歇性、难以调试的问题，这些问题没有明显的相关性或一致性。由于毛刺诱发条件通常处于“边缘”，它们的出现可能会随着温度、电源轨容差(仍在规格范围内)、同一设备的一批中的单个组件变化以及其他难以确定的因素而变化因素。

　　这个故障是什么，它的来源是什么?考虑一个带有微控制器和相关监控/保护复位 IC 的系统。后一个 IC 的作用简单而集中：在上电、断电和掉电条件下保持可靠的系统运行(图 1)。

　　图 1：了解毛刺源首先要了解微控制器及其相关监控/保护复位 IC 的简单典型布置，这两个 IC 均由电池及其稳压器供电。(图片来源：Analog Devices)

　　在典型的电池供电应用中，DC-DC 转换器从小型低压电池产生供电轨。监控 IC 一般加在 DC-DC 转换器和微控制器之间，用于监控电源电压并启用或禁用微控制器。

　　监控 IC 通过准确监控系统电源，然后断言或取消断言微控制器的使能输入来确保可靠运行。微控制器的启用和禁用通过监控 IC 的复位输出引脚进行管理。此引脚通常是连接到 10 kΩ (kΩ) 上拉电阻的开漏极。监控 IC 监控电源电压，并在输入电压低于复位阈值时触发复位。

　　在监控电压升至阈值电压以上至其标称值后，复位输出在复位超时期间保持有效，然后取消有效。这允许目标微控制器离开复位状态并开始运行。

　　但是在监控 IC 开启并将其拉低之前，复位线会发生什么情况呢?通过仔细观察典型的上电序列可以找到答案(图 2)。随着电源轨 V CC开始上电，微控制器和监控 IC 都关闭。因此，复位线处于浮动状态，10 kΩ 上拉电阻使其电压跟踪 V CC。

　　图 2：在典型的上电序列中，复位线处于浮动状态，因此其电压会跟踪电源轨 V CC的上升。(图片来源：Analog Devices)

　　这种电压上升可能在 0.5 到 0.9 伏之间，可能会导致系统不稳定。一旦监控 IC 开启，复位线就会被拉低，以防止微控制器意外开启。这种故障在所有前几代监控 IC 中都很常见。

　　低压系统放大了这个问题

　　这种故障情况成为了以越来越低的电压运行的低功率设备趋势的主要问题。考虑具有 3.3 伏、2.5 伏和 1.8 伏三个逻辑电平的系统(图 3)。对于 3.3 伏系统，输出低压阈值 (Vol) 和输入低压阈值 (Vil) 介于 0.4 伏和 0.8 伏之间。如果在 0.9 伏电压下出现故障，则可能会通过关闭和打开处理器而导致处理器变得不稳定。

　　图 3：逻辑电平已从 3.3 伏降至 1.8 伏，因此具有相关的电压阈值。(图片来源：Analog Devices)

　　标称 1.8 伏系统的情况更为敏感。现在，Vol 和 Vil 在 0.45 伏和 0.63 伏时要低得多。该系统中 0.9 伏的毛刺代表了更大的百分比，从而使其出错的可能性更高。

　　这种情况如何与影响系统运行的故障一起发生?考虑一个电源电压 V DD缓慢上升到 0.9 伏并在此“徘徊”一小段时间(图 4)。尽管该电压不足以开启监控 IC，但微控制器仍可启用并在不稳定状态下运行。由于 0.9 伏值处于不确定状态，微控制器 RESET 输入可以将毛刺解释为逻辑 1 或 0，这将不正常地启用或禁用它。

　　图 4：随着电源电压 V DD上升到 0.9 伏并在此徘徊，微控制器可能会不规律地打开和关闭。(图片来源：Analog Devices)

　　这会导致微控制器执行部分指令或不完整地写入内存，这只是可能发生的两个示例，可能导致系统故障和可能的灾难性系统行为。

　　解决故障问题

　　克服这个问题不需要返回到更高的电压轨，也不需要复杂的系统级架构来消除其发生或将其影响降至最低。相反，它需要能够识别问题的独特方面并防止形成毛刺的新一代监控 IC，无论上电或掉电条件下的电压水平如何。

　　实现这一结果需要专有电路和 IC，例如MAX16162，这是一款具有无干扰上电功能的纳米电源监控器。借助这种微型 IC(采用四凸点 WLP 和四引脚 SOT23 封装)，只要 V DD低于阈值电压，复位输出就会保持低电平，从而防止复位线上的电压毛刺。一旦达到电压阈值并完成延迟周期，复位输出将取消断言并启用微控制器(图 5)。

　　图 5：当 V DD低于阈值电压时， MAX16162 将复位输出保持为低电平，防止复位线上的电压毛刺。(图片来源：Analog Devices)

　　与在 V CC非常低时无法控制复位输出状态的传统监控 IC 不同，MAX16162 复位输出保证在达到有效 V CC电平之前保持有效。

　　MAX16161是 MAX16162 的近亲，具有几乎相同的规格，但有一个功能差异和一些重新定义的引脚分配(图 6)。它具有一个手动复位 (MR) 输入，当它接收到适当的输入信号时，该输入断言复位，该输入信号可以是低电平有效或高电平有效，具体取决于所选选项。相比之下，MAX16162 没有 MR 输入，而是具有独立的 V CC和 V IN引脚，允许低至 0.6 V 的阈值电压。

　　图 6：MAX16161 和 MAX16162 相似，但在功能和引脚布局方面存在细微差别：MAX16161 有一个 MR 输入，当它接收到适当的输入信号时会触发复位，而 MAX16162 有独立的 V CC和 V IN引脚。(图片来源：Analog Devices)

　　排序器与主管

　　另一对有一些重叠和歧义的术语是主管和定序器。监控器监视单个电源电压并在定义的情况下断言/释放复位。相比之下，定序器协调两个或多个轨道之间的相对复位和“电源正常”断言。

　　MAX16161 和 MAX16162 可用作简单的电源定序器(图 7)。在第一个稳压器的输出电压变为有效后，MAX16161/MAX16162 插入一个延迟，并在复位超时周期后为第二个稳压器产生使能信号。由于 MAX16161/MAX16162 在电源电压正确之前不会取消复位，因此受控电源永远不会被错误地启用。

　　图 7：可以配置使用 MAX16161 的电路，因此该器件不仅可以确保无干扰上电，还可以管理两个电源轨之间的电源轨排序。(图片来源：Analog Devices)

　　还有许多设计具有多轨和更复杂的排序需求。在这些情况下，Analog Devices LTC2928多通道电源定序器和监控器提供了一种解决方案(图 8)。

　　图 8：LTC2928 电源排序器管理四个独立电源轨之间的上电和断电排序，并使用户能够控制关键参数。(图片来源：Analog Devices)

　　这款四通道级联电源定序器和高精度监控器允许设计人员仅使用几个外部组件即可配置电源管理定序阈值、顺序和时序。它确保按所需顺序启用电源轨。除了上电排序之外，它还可以管理互补且通常同样重要的断电排序。

　　序列输出用于控制电源使能引脚或 N 通道传输门。其他监控功能包括欠压和过压监控和报告，以及微处理器复位生成。报告故障类型和来源以进行诊断。单独的通道控制可用于独立执行启用输出和监控功能。对于具有四个以上电源轨的系统，可以轻松地连接多个 LTC2928 以对无限数量的电源进行排序。

　　结论

　　每个应用中都存在毛刺，但对于直到最近才占主导地位的更高电压应用，它们并未构成重大问题。现在，电源电压越来越低，由于 0.9 伏的毛刺，导致系统开启的可靠性降低。

　　如图所示，设计人员可以使用提供无干扰运行的新型监控 IC 来提高可靠性，从而为低功率/低电压应用提供最高程度的系统保护。