電壓監控器如何解決電源雜訊與突波難題

作者：ADI產品應用工程師 Noel Tenorio


摘要

運用電壓監控器可為搭載微控制器的系統提高可靠度，藉由監視電源故障以及將微控制器設為重置模式避免系統錯誤與故障。然而，包括雜訊、電壓突波、以及瞬態現象等各種電源瑕疵都會導致假性與令人討厭的重置，進而影響系統行為。本文闡述電壓監控器如何解決各種可能觸發假性與惱人重置的因素，藉此提升系統效能與可靠度。

介紹

許多運算與處理數據的應用依據安全與可靠運行的需求，會用到現場可編程邏輯閘陣列(FPGA)、微處理器、數位訊號處理器、以及微控制器等元件。這些元件有著不同的電源需求，其僅能在特定的電源容差範圍內才能工作1。電壓監控器是能達到系統可靠度要求的解決方案。在電源供應器出現包括低壓或過壓等非預期故障時，電壓監控器能即時反應，並將系統切換至重置模式。然而監控供電軌的電壓時總是會遇到一些狀況，有可能會觸發不想看到的假性重置輸出。包括電源雜訊、電壓瞬態、以及突波等狀況有可能來自電源供應電路。

本文探討電壓監控器中用來解決電源雜訊、電壓瞬態、以及突破等問題的各項參數。另外本文還闡述這些參數如何改進電壓監控器在監視電源時的可靠性，藉以提高系統在應用中的可靠度。

系統中的電源雜訊、電壓瞬態、以及突波

電源存在許多天生的不完美，總是會有來自電源電路元件本身的雜訊、來自其他電源供應器的雜訊、以及系統產生的其他雜訊結合到直流訊號上。如果直流電源供應器是交換模式電源供應器(SMPS)，上述這些問題就會更嚴重。SMPS產生的開關漣波和開關頻率呈相干關係。另外在開關轉換期間還會產生高頻率的開關瞬態。這些轉換是電源MOSFET快速開關切換所造成。圖1顯示的應用電路，其中的 MAX705 監控器用來監視切換式穩壓器輸出端的任何故障，而此穩壓器負責為微控制器供應電壓。

Figure 1. The MAX705 supervisor is used to monitor a switching regulator output, which is the input voltage supply of a microcontroller.
圖1. MAX705監控IC用來監視切換式穩壓器的輸出，該輸出是微控制器要輸入的電壓

除了穩態操作雜訊外，另外在許多情境中電源供應器裡的電壓瞬態變化更為明顯。在啟動時，電壓輸出過沖通常和電源供應器的回饋迴路響應有關聯，接著會出現一段時間的電壓振盪(ringing)持續至達到穩態為止。如果回饋迴路補償值沒有最佳化，此種振盪就會更糟。在轉換或動態負載期間，也可能觀察到電壓過沖或欠壓的狀況。在許多應用中，有些時候負載需要更多電流來執行複雜程序，進而導致欠壓。另一方面，瞬間或以快速上升率迅速降低負載，則會導致電壓過沖。電源供應器因為各種外部因素，也可能出現短暫的電壓突波。圖2顯示在不同情況下電源供應器電壓的各種電壓瞬態與突波。

Figure 2. Voltage transients and glitches that can be observed on a supply voltage in different scenarios.
圖2. 電源電壓在不同情況中出現的電壓瞬態與突破

另外系統的一些電壓瞬態和電源供應器電壓無關，而是和使用者操作介面有關，像是機械開關或晶片卡。開啟與關閉開關時會在輸入針腳上產生電壓瞬態與雜訊，通常是手動重置針腳。所有這些因素 – 電源供應器雜訊、電壓瞬態、以及突波，許多出現過量 – 就會意外地達到監控器的欠壓或過壓門檻，如果設計中沒有考量到這些狀況就可能觸發假性重置。這會導致振盪行為以及不穩定，就系統可靠度而言都是不想看到的狀況。

電壓監控IC如何解決雜訊與瞬態以避免系統出現惱人的重置?許多參數能協助遮蔽這些和電源供應或受監控電壓息息相關的瞬態。這些參數包括重置超時時間、重置閾值滯回性、以及重置閾值超額配置(overdrive) vs. 歷時。此外，一些和電路中各種機械接觸點有關的瞬態，包括像手動重置針腳的按鈕開關，還有手動重置設定時間，以及防止連續觸發的反彈時間都會遮蔽掉瞬態。這些參數讓電壓監控器具有強韌性，不會受到瞬態與突波所影響，讓系統不會出現不想看到的反應。

重置超時時間(tRP)

當啟動或供電電壓從欠壓事件後逐步升高並超過閾值，重置訊號會經歷一段額外的時間然後再解除 (deassert)，稱之為重置超時時間(tRP)。2舉一個例子，圖3顯示在監控電壓之後，亦即這個案例標為VCC的電源電壓，當其從欠壓上升至閾值或啟動，從低位準轉換為高位準之前會加入一段延遲。這個額外的時間帶給受監控電壓有餘裕的時間先穩定下來，遮蔽掉過壓與振盪，然後再啟動系統或跳出重置模式。重置超時時間的設定會抑制掉假性系統重置，進而防止振盪以及潛在的失效，協助改進系統的可靠度。

Figure 3. The reset timeout period (tRP) helps keep the system in reset mode while the supply voltage stabilizes.
圖3. 重置超時時間(tRP)協助讓系統維持在重置模式與穩定電源電壓

閾值滯回(VTH+)

採用閾值滯回設計方法有兩項主要優點。第一，其提供確定性，所監控的電壓必須超越閾值足夠的幅度後才會解除重置。第二，其讓電源供應器有足夠的空間先穩定下來後再解除重置。在處理有疊加雜訊的訊號時，由於電源彈跳(bounce)以及再次穿越閾值區域，重置輸出(reset output)。如圖4所示。3 在包括工業環境等應用中，雜訊訊號以及電壓波動在任何時間都可能發生。若沒有滯回，在電源穩定之前，重置輸出會在觸發與解除觸發之間持續切換。另外也會使系統進入振盪狀態。閾值滯回會消除振盪狀況，讓系統維持在重置狀態服避免系統出現不想要的行為，如圖4的藍線包圍區域。此種方法協助監控器保護系統免受假性重置的影響。

Figure 4. RESET output response without and with threshold hysteresis (reset timeout period not shown to focus on the effect of hysteresis).
圖4. 有用與沒用閾值滯回下的重置輸出反應(未顯示重置超時時間以聚焦在滯回的影響)

重置閾值超額配置vs. 歷時

外部因素造成的電壓突波可能發生在任何系統，經歷時間可能很短或很長。其可能有不同的電壓降幅。重置閾值超額配置 vs. 歷時和電壓突波或超額配置的幅度與時間有一些關聯。短暫但大幅度的突波不會將重置訊號觸發至有效(assert)狀態，而幅度較低但歷時較長的超額配置則會觸發重置，如圖5所示。

Figure 5. A glitch with a less magnitude but occurs in a longer duration will trigger a reset signal as opposed to a short-duration glitch with greater magnitude.
圖5.幅度較小但歷時較長的突波會突發重置訊號，對比較大幅度而歷時較短的突波

受監控電源的電壓瞬態是否會被忽略取決於其時間。忽略掉這些瞬態能保護系統免受各種惱人重置的影響，像是短暫突波造成的重置。這些突波可能會假性觸發系統重置，導致系統出現不想看到的行為。在產品資料表中，重置閾值超額配置 vs. 歷時，通常會列在其中一個效能特性圖表，如圖6所示。高過曲線的任何數值都會觸發重置輸出，而曲線內的數值則會被忽略，藉以避免系統出現假性重置。

Figure 6. Asserting of the reset signal will depend on the magnitude of the overdrive and its duration.
圖6. 重置訊號是否判定有效，取決於超額配置的幅度以及歷時

手動重置設定時間(tMR) 與彈跳時間 (tDB)

重置超時時間、閾值超額配置vs.歷時、以及閾值滯回性，能解決受監控電壓的電壓突波與瞬態，受監控的通常是系統微控制器的電源。在如開關等機械接點造成的突波方面，手動重置設定時間以及彈跳時間能緩解電壓瞬態與突波產生的各種可能效應。

手動重置設定時間(tMR)是指手動重置需要維持的時間，結束之後才能觸發重置輸出。有些監控器IC擁有很長的手動重置設定時間，藉以提高對系統的保護。這些設計通常出現在消費性產品，必須按住指鈕數秒後才能重置系統。此種方法可避免意外與無意的重置，進而增加保護與可靠度。在手動重置設定時間方面，在按下開關時所有短暫的瞬態與突波都會被忽略，如圖7a所示，協助系統提高對突波的免疫力。

相同的概念也適用於彈跳時間。和設定時間一樣，彈跳時間(tDB) 會忽略在按住或放開開關時出現的高頻率週期性電壓。這些高頻率瞬態會被判定為無效，而且不會觸發重置，如圖7b所示。當訊號超過彈跳時間，就會被判定為開關或按鈕的有效輸入訊號

Figure 7. The manual reset setup period and debounce time diagram of a supervisor with a long manual reset setup period (MAX6444): (a) the manual reset setup period (tMR) needs to be completed first before a reset signal asserts; (b) to be considered as a valid input signal, debounce time (tDB) is required to be completed.
圖7. 手動重置設定時間與彈跳時間圖，監控器 IC擁有較長的手動重置設定時間 (MAX6444): (a) 手動重置設定時間(tMR) 必須先達到後，才會判定重置訊號為有效; (b)彈跳時間(tDB)達成後，才會判定輸入訊號為有效總結

總結

若沒有電壓監控器，在經歷電壓瞬態與突波時，系統就會承受各種斷電狀況的風險。電壓監控器解決這種問題，讓處理器在此類情況時進入重置模式。本文討論的所有參數，包括重置超時時間、閾值滯回性、閾值超額配置、手動重置設定時間、以及彈跳時間，都能改進電壓監控器在監電源電壓時的可靠度，讓其對突波與瞬態具有免疫力。這將會增進整體系統效能的穩定性與可靠度。

參考電路

1 "The Why, What, How, and When of Using Microprocessor Supervisors." Maxim Integrated, April 2018.

2 Greg Sutterlin. "Supervisors in Multivoltage Systems." Analog Devices, Inc., November 2003.

3 Pinkesh Sachdev. "Adding Hysteresis for Smooth Undervoltage and Overvoltage Lockout." Analog Dialogue, Vol. 55, No. 1, March 2021.