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我的电源正常吗？我的微处理器呢？如果出现问题怎么办？仿真显示了如果直流电压下降会发生什么。

当微处理器的电源无法提供预期的电压时，微处理器可能会以不良方式运行。可能会发生错误，电路可能会意外复位，甚至出现故障。为了防止此类问题，许多设备使用电源监控IC 将事物设置为已知状态。以下模拟显示了可能发生的情况以及如何防止它们。

图1 这是众多可用的POR设备之一

许多公司，如ADI 公司、德州仪器（TI）、ONSemi、恩智浦和Diodes 都生产监控设备。最近，ADI 公司的电源监控IC 产品发布出现在我的办公桌上。其目的是检测低于某个跳扣点的电源电压。电源电压过低可能会导致系统以不可预测的方式运行（尽管可能是非破坏性的）。例如，如果微处理器（μP）的主电源电压下降一点，处理器可能会丢失并停止程序执行。为了解决这个问题，添加了一个监控IC，该IC 置位连接到μP（RESET）的逻辑低功耗上电复位（POR）信号。参见图1。这将停止程序执行并从已知良好的状态重新启动程序。

但让我们仔细考虑一下。如果电源电压下降得更多怎么办？监控POR IC 在什么时候（随着电源电压下降）停止正常工作？它是否停止优雅地工作？如果POR IC有一个漏极开路，该漏极变为低电平以置位POR 条件，则如果POR IC 失去自身输出，该输出是否保持低电平VCC ？是否可以想象μP 可以在低于POR IC 停止工作的电源电压下工作？因为如果没有，那么监控IC 需要自己的电源，并且该电源必须始终处于开启状态。您可能希望考虑使用带备用电池的电源。

图2 LTC2934-1电压监控器IC具有检测两个独立电压电平和产生两个独立漏极开路控制信号的功能

为了研究这会如何发挥作用，我对LTC2934-1进行了LTSpice 模拟。图2 显示了器件内部功能块的简化原理图。它有两个比较器，可以检测两个独立的电压跳闸点。下一个产生反相电源故障输出（PFO）控制信号，上一个在稍有时间延迟后生成反相复位（RST）信号。在LTC2934-1 版本中，输出是漏极开路而不是有源上拉，因此您需要添加自己的上拉电阻。这两个输出可用于强制您的设备以受控方式复位。

图3 该LTC2934根据电源电压电平控制系统

图3显示了连接到基于逻辑的通用系统（如微处理器）的器件。为了简化我的模拟，我使用较低的比较器生成PFO信号。span style=“text-decoration：overline；”>RST 信号通过将ADJ 输入直接连接到VCC 。

我在电源故障输入中添加了一个延迟电路（R3 和C1），但安排了VCC 在模拟开始时打开。这样，我可以看到span style=“text-decoration： overline；”>PFO 在正常作条件下有效。仿真电路如图4 所示。Spice 模拟假定所有内容都从t = 0.0 秒开始。请注意，R1 和R2 足够大，它们对R3 施加的负载可以忽略不计。

图4 在该电路中，LTC2934-1被配置为一个简单的上升电压检测器

在图中：

●   V_C=电容器开始充电后指定时间的电容器电压；

●   V_S=电容器充电的电源电压（在本例中为10 V）；

●   e=欧拉常数，又称自然常数，约为2.71828；

●   t=正在考虑的电路通电后的时间（假设电容器放电，然后在t = 0 秒时电路导通）；

●   τ=RC时间常数（在本例中为100 毫秒）。

如果将经过的时间恰好是一个时间常数，则e 上升到的指数只是–1。如果你求解VS 、VC 电荷，您将得到公式2a 到2d 中所示的内容：

为了找出C1上的电压达到特定值（以伏特为单位）需要多长时间（以秒为单位），我们可以对等式1 进行一些代数作，类似于等式2中的上述步骤，如等式3a到3d所示：

从每边减去1，将两边乘以–1，然后重新排列：

然后取每边的自然对数，交换左右两边，我们得到：

我们想找出时间t，因此我们将每边乘以时间常数τ，我们得到：

为了使C1 或R2 顶部的电压达到0.42 V，我们可以代入公式3d 中的已知值，如公式4a 至4d 所示：

我仿真了图4 中的电路，得到了图5 所示的结果。我用蓝色箭头标记了PFO 的波形，因为它乍一看不是特别明显，红色箭头显示了C1 上的上升电压。该仿真与我的计算值非常接近，这让我对我的仿真准确表示现实的能力充满信心。

图5 LTC2934-1仿真显示PFO节点按预期在4.8 ms左右捕捉HI

现在，如果V_CC因为LTC2934与我们要监控的电压同时上升？换句话说，如果我将电路更改为图6 所示，以便电源和被监控的电压同时上升，会发生什么？

图6 LTC2934-1与以前一样被配置为简单的上升电压检测器，但有一个重要的变化

我们研究了可以检测电源电压过低时的电源监控IC的运行情况，以及如果过低时会发生什么。我们将继续进行分析，然后考虑如何密切关注微处理器以确保它仍然活着。再次注意，除R3外，所有电阻值都明显大于R3，因此R3-C1网络上的负载量可以忽略不计。被监测的电压和IC 的电源电压同时上升。

图7 LTC2934-1仿真显示PFO节点性能异常

查看图7 所示的仿真结果。我将模拟运行到仅50毫秒（通过更改.tran 语句中的第二个术语），这样我就可以仔细查看该时间跨度内的作。

图7显示了+VCC电源电压（蓝色带红色箭头）如我们预期的那样呈指数级上升，但它显示PFO 节点性能异常。当电源电压从零上升时，PFO 通过R4 上拉电阻随之上升（2934 PFO FET 关闭）。在通电后约7 ms至8 ms 时，内部电路电压充足并活跃；PFO 开关LO。

最后，当+ VCC 足够高，使PFI 节点足够高，PFO 被释放（进入HI）。

这提出了一个重要问题。在+ VCC 高达约0.7 V，则不断言PFO。在此特定配置中，上述+ VCC 1.6 V，则没有断言PFO——但那是因为我相当武断地选择了R1 和R2，只是为了获得一个正常工作的电路。0.7 V 电平是问题点。系统中的大多数其他电路可能无法在0.7 V 的电源电压下工作——但如果它能工作怎么办？

为了使电路更像我们使用10 VDC 总线运行的实际系统，让我们将电压监控电路的跳闸点更改为9.5 V。回想一下，PFI 电压跳扣点为0.4 V。我们将R1 保留在100 kΩ，并使用分压器公式计算R2，如公式1a 所示：

其中：

●   V_OUT=顶部和底部电阻结处的输出电压（0.4 V）；

●   V_IN=为顶部电阻器供电的电源电压（9.5 V）；

●   R_BOT=底部电阻器的电阻（100 k）；●   R_TOP=顶部电阻器的电阻。代入这些值并使所有电阻值以千欧为单位，我们得到公式1b：将每边除以9.5 得到公式减少左边分数并将两边乘[R_TOP+100]们得到公式1d：

乘以等式的左侧，我们得到等式1e：

重新排列和组合类似的项，我们得到公式1f：

图8 此版本检测到的电源电压高于我以前的版本——在本例中为9.5 V

最后，将双方除以42.1×10-3，得到公式1g：

我们将使用最接近的标准5% 值2.2 M*Ω；如图8所示。

仿真结果如图9a 所示。从VIN0.0 V 到0.7 V 左右，性能又很麻烦。图9b 提供了上电后发生的情况的特写视图。

图9 2934 的性能看起来更好（a），但可能仍然存在问题。在（b）中，我通过将示意图.tran语句的第二项更改为50毫秒再次放大

PFO 看起来更像我们对+10 VDC 电源电压监控器的期望，除了电源输出约为0.7 V 时出现的讨厌的毛刺。

为了确保这不是异常，我重新设计了电路，以用作3.3 VDC 电源的监视器。我将低压跳闸点设置为3.1 V。电路如图10 所示。R2 可以使用665 kΩ 或681 kΩ、1% 电阻。

图10 这是一款3.3 V监视器，断言PFO低于3.1 V

仿真结果如图11所示。再次，从+VIn 从0.0 V 至0.7V左右，性能很麻烦。

正如我上面提到的，系统中的大多数其他电路可能无法在0.7 V 的电源电压下工作，但某些电路可能会工作。

作为此类电路的设计工程师，您有责任确保您的设计正常运行。您可能需要添加额外的组件以迫使PFO保持在较低水平，直到+ VCC 肯定足够高。或者，回到我们开始的地方，你可能会想要制作+ VCC 对监督IC始终在线。

要更详细地了解可能遇到的问题，可以执行故障模式和影响分析，并考虑单点故障会发生什么情况。

图11 该图清楚地显示了PFO问题，即PFO无法随电源电压上升

一次故障会导致严重的问题吗？如果发生一个故障并且它是看不见的——如果系统保持正常运行——第二次故障是否会导致严重问题？进行此分析将揭示可能存在的严重问题：故障模式是否会造成不安全条件？设备会损坏吗？设备用户会受到伤害吗？

图12 这是一个典型的电压监控器（类似于我们之前看到的器件）+ WDT IC，显示了（a）中的内部结构和（b）中的典型用法

现在我们已经打开了这罐蠕虫并发现我们无法将蠕虫放回罐中，让我们考虑一下是否需要监控电源轨是否存在过压情况。这里有一个提示：我们愿意。更简单的设备不会监控过电压。如果电源电压超过器件数据手册中的最大工作电压，它们将受到不利影响。电源下游的系统组件（因此，几乎所有其他组件）都可能过热或破坏性损坏。它们在受损状态下的表现是任何人的猜测，但上面提到的相同问题和考虑因素也适用。

还有更复杂的监控设备将电源监控与称为看门狗定时器（WDT）的设备相结合。WDT 通常监控一个μP的输出。在μP 上运行的代码不仅可以执行其常规功能，还可以定期切换其WDT 输出HI 和LO。此作将重置WDT IC中的计时器，使其永远不会超时。如果WDT IC 的WDT 输入卡住（在HI 或LO），定时器超时并强制对μP 进行RESET。参见图12。

WDT 和电压监测器将为您的μP 系统提供大量可靠性，尤其是在您考虑可能遇到的各种故障模式后。为了进行更详细的分析，您可以在Spice 中模拟μP 加WDT电路（假设您使用的版本具有为您正在使用的设备创建的模型）。注意：确保您使用的模型经过精心设计，可以准确模拟设备运行，直至数十到数百毫伏的电源水平。

（本文来源于《EEPW》202510）

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