我的電源正常嗎？我的微處理器呢？如果出現問題怎么辦？仿真顯示了如果直流電壓下降會發生什么。

當微處理器的電源無法提供預期的電壓時，微處理器可能會以不良方式運行。可能會發生錯誤，電路可能會意外復位，甚至出現故障。為了防止此類問題，許多設備使用電源監控IC 將事物設置為已知狀態。以下模擬顯示了可能發生的情況以及如何防止它們。

圖1 這是眾多可用的POR設備之一

許多公司，如ADI 公司、德州儀器（TI）、ONSemi、恩智浦和Diodes 都生產監控設備。最近，ADI 公司的電源監控IC 產品發布出現在我的辦公桌上。其目的是檢測低于某個跳扣點的電源電壓。電源電壓過低可能會導致系統以不可預測的方式運行（盡管可能是非破壞性的）。例如，如果微處理器（μP）的主電源電壓下降一點，處理器可能會丟失并停止程序執行。為了解決這個問題，添加了一個監控IC，該IC 置位連接到μP（RESET）的邏輯低功耗上電復位（POR）信號。參見圖1。這將停止程序執行并從已知良好的狀態重新啟動程序。

但讓我們仔細考慮一下。如果電源電壓下降得更多怎么辦？監控POR IC 在什么時候（隨著電源電壓下降）停止正常工作？它是否停止優雅地工作？如果POR IC有一個漏極開路，該漏極變為低電平以置位POR 條件，則如果POR IC 失去自身輸出，該輸出是否保持低電平VCC ？是否可以想象μP 可以在低于POR IC 停止工作的電源電壓下工作？因為如果沒有，那么監控IC 需要自己的電源，并且該電源必須始終處于開啟狀態。您可能希望考慮使用帶備用電池的電源。

圖2 LTC2934-1電壓監控器IC具有檢測兩個獨立電壓電平和產生兩個獨立漏極開路控制信號的功能

為了研究這會如何發揮作用，我對LTC2934-1進行了LTSpice 模擬。圖2 顯示了器件內部功能塊的簡化原理圖。它有兩個比較器，可以檢測兩個獨立的電壓跳閘點。下一個產生反相電源故障輸出（PFO）控制信號，上一個在稍有時間延遲后生成反相復位（RST）信號。在LTC2934-1 版本中，輸出是漏極開路而不是有源上拉，因此您需要添加自己的上拉電阻。這兩個輸出可用于強制您的設備以受控方式復位。

圖3 該LTC2934根據電源電壓電平控制系統

圖3顯示了連接到基于邏輯的通用系統（如微處理器）的器件。為了簡化我的模擬，我使用較低的比較器生成PFO信號。span style=“text-decoration：overline；”>RST 信號通過將ADJ 輸入直接連接到VCC 。

我在電源故障輸入中添加了一個延遲電路（R3 和C1），但安排了VCC 在模擬開始時打開。這樣，我可以看到span style=“text-decoration： overline；”>PFO 在正常作條件下有效。仿真電路如圖4 所示。Spice 模擬假定所有內容都從t = 0.0 秒開始。請注意，R1 和R2 足夠大，它們對R3 施加的負載可以忽略不計。

圖4 在該電路中，LTC2934-1被配置為一個簡單的上升電壓檢測器

在圖中：

●   V_C=電容器開始充電后指定時間的電容器電壓；

●   V_S=電容器充電的電源電壓（在本例中為10 V）；

●   e=歐拉常數，又稱自然常數，約為2.71828；

●   t=正在考慮的電路通電后的時間（假設電容器放電，然后在t = 0 秒時電路導通）；

●   τ=RC時間常數（在本例中為100 毫秒）。

如果將經過的時間恰好是一個時間常數，則e 上升到的指數只是–1。如果你求解VS 、VC 電荷，您將得到公式2a 到2d 中所示的內容：

為了找出C1上的電壓達到特定值（以伏特為單位）需要多長時間（以秒為單位），我們可以對等式1 進行一些代數作，類似于等式2中的上述步驟，如等式3a到3d所示：

從每邊減去1，將兩邊乘以–1，然后重新排列：

然后取每邊的自然對數，交換左右兩邊，我們得到：

我們想找出時間t，因此我們將每邊乘以時間常數τ，我們得到：

為了使C1 或R2 頂部的電壓達到0.42 V，我們可以代入公式3d 中的已知值，如公式4a 至4d 所示：

我仿真了圖4 中的電路，得到了圖5 所示的結果。我用藍色箭頭標記了PFO 的波形，因為它乍一看不是特別明顯，紅色箭頭顯示了C1 上的上升電壓。該仿真與我的計算值非常接近，這讓我對我的仿真準確表示現實的能力充滿信心。

圖5 LTC2934-1仿真顯示PFO節點按預期在4.8 ms左右捕捉HI

現在，如果V_CC因為LTC2934與我們要監控的電壓同時上升？換句話說，如果我將電路更改為圖6 所示，以便電源和被監控的電壓同時上升，會發生什么？

圖6 LTC2934-1與以前一樣被配置為簡單的上升電壓檢測器，但有一個重要的變化

我們研究了可以檢測電源電壓過低時的電源監控IC的運行情況，以及如果過低時會發生什么。我們將繼續進行分析，然后考慮如何密切關注微處理器以確保它仍然活著。再次注意，除R3外，所有電阻值都明顯大于R3，因此R3-C1網絡上的負載量可以忽略不計。被監測的電壓和IC 的電源電壓同時上升。

圖7 LTC2934-1仿真顯示PFO節點性能異常

查看圖7 所示的仿真結果。我將模擬運行到僅50毫秒（通過更改.tran 語句中的第二個術語），這樣我就可以仔細查看該時間跨度內的作。

圖7顯示了+VCC電源電壓（藍色帶紅色箭頭）如我們預期的那樣呈指數級上升，但它顯示PFO 節點性能異常。當電源電壓從零上升時，PFO 通過R4 上拉電阻隨之上升（2934 PFO FET 關閉）。在通電后約7 ms至8 ms 時，內部電路電壓充足并活躍；PFO 開關LO。

最后，當+ VCC 足夠高，使PFI 節點足夠高，PFO 被釋放（進入HI）。

這提出了一個重要問題。在+ VCC 高達約0.7 V，則不斷言PFO。在此特定配置中，上述+ VCC 1.6 V，則沒有斷言PFO——但那是因為我相當武斷地選擇了R1 和R2，只是為了獲得一個正常工作的電路。0.7 V 電平是問題點。系統中的大多數其他電路可能無法在0.7 V 的電源電壓下工作——但如果它能工作怎么辦？

為了使電路更像我們使用10 VDC 總線運行的實際系統，讓我們將電壓監控電路的跳閘點更改為9.5 V。回想一下，PFI 電壓跳扣點為0.4 V。我們將R1 保留在100 kΩ，并使用分壓器公式計算R2，如公式1a 所示：

其中：

●   V_OUT=頂部和底部電阻結處的輸出電壓（0.4 V）；

●   V_IN=為頂部電阻器供電的電源電壓（9.5 V）；

●   R_BOT=底部電阻器的電阻（100 k）；●   R_TOP=頂部電阻器的電阻。代入這些值并使所有電阻值以千歐為單位，我們得到公式1b：將每邊除以9.5 得到公式減少左邊分數并將兩邊乘[R_TOP+100]們得到公式1d：

乘以等式的左側，我們得到等式1e：

重新排列和組合類似的項，我們得到公式1f：

圖8 此版本檢測到的電源電壓高于我以前的版本——在本例中為9.5 V

最后，將雙方除以42.1×10-3，得到公式1g：

我們將使用最接近的標準5% 值2.2 M*Ω；如圖8所示。

仿真結果如圖9a 所示。從VIN0.0 V 到0.7 V 左右，性能又很麻煩。圖9b 提供了上電后發生的情況的特寫視圖。

圖9 2934 的性能看起來更好（a），但可能仍然存在問題。在（b）中，我通過將示意圖.tran語句的第二項更改為50毫秒再次放大

PFO 看起來更像我們對+10 VDC 電源電壓監控器的期望，除了電源輸出約為0.7 V 時出現的討厭的毛刺。

為了確保這不是異常，我重新設計了電路，以用作3.3 VDC 電源的監視器。我將低壓跳閘點設置為3.1 V。電路如圖10 所示。R2 可以使用665 kΩ 或681 kΩ、1% 電阻。

圖10 這是一款3.3 V監視器，斷言PFO低于3.1 V

仿真結果如圖11所示。再次，從+VIn 從0.0 V 至0.7V左右，性能很麻煩。

正如我上面提到的，系統中的大多數其他電路可能無法在0.7 V 的電源電壓下工作，但某些電路可能會工作。

作為此類電路的設計工程師，您有責任確保您的設計正常運行。您可能需要添加額外的組件以迫使PFO保持在較低水平，直到+ VCC 肯定足夠高。或者，回到我們開始的地方，你可能會想要制作+ VCC 對監督IC始終在線。

要更詳細地了解可能遇到的問題，可以執行故障模式和影響分析，并考慮單點故障會發生什么情況。

圖11 該圖清楚地顯示了PFO問題，即PFO無法隨電源電壓上升

一次故障會導致嚴重的問題嗎？如果發生一個故障并且它是看不見的——如果系統保持正常運行——第二次故障是否會導致嚴重問題？進行此分析將揭示可能存在的嚴重問題：故障模式是否會造成不安全條件？設備會損壞嗎？設備用戶會受到傷害嗎？

圖12 這是一個典型的電壓監控器（類似于我們之前看到的器件）+ WDT IC，顯示了（a）中的內部結構和（b）中的典型用法

現在我們已經打開了這罐蠕蟲并發現我們無法將蠕蟲放回罐中，讓我們考慮一下是否需要監控電源軌是否存在過壓情況。這里有一個提示：我們愿意。更簡單的設備不會監控過電壓。如果電源電壓超過器件數據手冊中的最大工作電壓，它們將受到不利影響。電源下游的系統組件（因此，幾乎所有其他組件）都可能過熱或破壞性損壞。它們在受損狀態下的表現是任何人的猜測，但上面提到的相同問題和考慮因素也適用。

還有更復雜的監控設備將電源監控與稱為看門狗定時器（WDT）的設備相結合。WDT 通常監控一個μP的輸出。在μP 上運行的代碼不僅可以執行其常規功能，還可以定期切換其WDT 輸出HI 和LO。此作將重置WDT IC中的計時器，使其永遠不會超時。如果WDT IC 的WDT 輸入卡住（在HI 或LO），定時器超時并強制對μP 進行RESET。參見圖12。

WDT 和電壓監測器將為您的μP 系統提供大量可靠性，尤其是在您考慮可能遇到的各種故障模式后。為了進行更詳細的分析，您可以在Spice 中模擬μP 加WDT電路（假設您使用的版本具有為您正在使用的設備創建的模型）。注意：確保您使用的模型經過精心設計，可以準確模擬設備運行，直至數十到數百毫伏的電源水平。

（本文來源于《EEPW》202510）