Интегрални схеми за контрол на постоянни напрежения

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 8/2020 • 03.12.2020

Интегрални схеми за контрол на постоянни напрежения

Стефан Куцаров

Нормалната работа на електронните схеми и устройства изисква техните постоянни захранващи напрежения да бъдат в определени граници с цел запазване на параметрите им или/и предпазване от повреда. Това е особено съществено при ползване за захранване на акумулатории галванични елементи. Едно от основните решения за избягване на това е между източника напостоянно напрежение и захранваната схема (или устройство) да се постави интегрална схема (ИС) за контрол с добилото популярност наименование супервайзор (Supervisor, Voltage Super-visor, Voltage Detector, Voltage Monitor).

Тя прекъсва захранването при прагово напрежение (Threshold Voltage) VTH извън допустимите граници, а възстановяването му става автоматично при връщане в границите. В огромната част от супервайзорните схеми възстановяването на захранването става при напрежение, различаващо се от VТН за прекъсване, като разликата представлява напрежението на хистерезиса (Threshold Voltage Hysteresis) VHYS. Целта на наличието му е избягванена нежеланото многократно включване и изключване около VТН. Независимо от това съществуват и супервайзори без хистерезис. В много каталози супервайзорите са наречени Microprocessor Supervisor поради най-масовото им приложение, но те се ползват и за микроконтролери, цифрови сигнални процесори, цифрови схеми и др. Специфична особеност на супервайзорните ИС е малката динамика в развитието им и съответно по-рядката поява на нови модели. Друга особеност е, че вече се произвеждат твърде малко супервайзори за контрол на максимално допустимото напрежение. Причината е в съществуването на по-прости други прибори, например електронните предпазители (eFuse).

В статията са разгледани супервайзорни интегрални схеми, представени след 01.01.2015г.

 

Същност

Най-простите супервайзори имат 3 извода - два за захранващото напрежение VDD (или VCC) и изход RESET или OVERLINE RESET (OVRESET). На него се получава съответно лог.1 или лог.0, когатоVDD намалее до VTH. Изходът се свързва към входа за нулиране на управляваната ИС с пример на фиг.1а. Тя е за супервайзори с изходно стъпало един MOS транзистор с отворен дрейн, освен което има разновидности с вграден резистор и с противотактно стъпало (push-pull). Входът на управляваната схема е предвиденият за изключването й. Намаляването на VDD под праговото (означено с VRT) установява лог. 0 на OVRESET, което се вижда от първите две времедиаграми на фиг.1б.Нарастването на VDD до VTH трябва да възстанови работата на управляваната схема, което става след зададено от супервайзора време tRS от порядъка на няколко стотици ms. Характерни допълнителни изводи на супервайзорите са показани на фиг.2а, като може да са налични само частот тях. Вход SENSE е за задаване на VTH от напрежение, различно от VDD. Входът OVERLINE MR (OVMR) - от Manual Reset - е за изключване на управляваната схема чрез замасен бутон, като при супервайзори с вход MR ключът се свързва към VDD. Параметърът време на закъснение (Reset DelayTime) tRS е от достигане от VDD на VTH до включване на управляваната схема. При подаване на лог.0 на OMR изминава време tMD (няколко десети от ms) до установяване на OVRESET=0. Това време трябва да е по-малко от tMR, през което бутонът остава натиснат. Включването на управляваната схема става след време tRS от отваряне на контакта на бутона. В част от супервайзорите tRS е фиксирано фабрично, а в други се задава по-голяма негова стойност чрез кондензатор, свързан към техния извод СТ. В последния случай при липса на такъв остава фабрично фиксираното tRS. На фиг.1 и фиг. 2 не е показан съществуващият в някои супервайзори вход EN за разрешаване наработата им. Практически всички съвременни супервайзорни ИС са реализирани по CMOS технология.

 

 

Значителна част от ИС, модули и устройства работят с няколко захранващи напрежения, които при включването им трябва да се подават едно след друго през определени интервали от време. Това се осигурява чрез каскадно свързване на супервайзори (фиг.2б). Първият супервайзор е без Ст, но при необходимост той може да бъде реализиран. Логическото ниво на изхода му OVRESET постъпва на OVMR на втория супервайзор, но нивото на неговия OVRESET се получава след установеното от първия време tRS1. По аналогичен начин от втория супервайзор след време tRS2 се включва цифровият сигнален процесор DSP. Полезно е да се има предвид, че значителна част от супервайзорите имат вход EN за разрешаване на работата им.

 




Обикновено супервайзорите се предлагат като серия, а разликите между моделите в нея са стойността на VТH, работният температурен диапазон и броят на изводите. Супервайзорните ИС са с малък захранващ ток, обикновено няколко mA, и малки размери.

 

Супервайзори с долен праг

Тези супервайзори са с най-голям относителен дял и наименованието им Undervoltage Supervisor показва прекъсване на захранването на управляваната схема при намаляване на нейното VDD илина друго напрежение под праговото (Undervoltage Thresholds) VTH.

Супервайзорни ИС за контрол на едно напрежение (Single Supply Supervisor, Single Supply Monitor). Компанията Analog Devices произвежда LTC2965 с VDD=3,5 - 100 V при IDD=7 uA, като напрежението VTH се задава чрез резистори между 3,5 и 98 V. Типичната стойност на хистерезиса е 70 mV. Супервайзорът PT7M3808G на Diodes Inc. е предвиден за захранване VDD=1,7 - 6,5 V и консумира IDD=2,8 uA. Чрез резисторен делител неговото VTH се задава между 0,4 и 5 V при хистерезис1% от стойността му. Има входове OVMR и СТ. Чрез свързан към вход CT кондензатор времето tRS може да се задава между 1,25 ms и 10 s.

Серия от 10 супервайзора е МАХ6443 - МАХ6452 на Maxim Integrated със захранващо напрежение между 1 и 5,5 V при консумиран ток 7 uA. Напрежението VTH e в границите от 1,58 V до 4,63 V, като всеки от моделите е за едно VTH. Стойността на хистерезиса в mV е 2VTH. Характернитук са двата бутона за изключване на управляваната схема - единият свързва OVRESET към маса, а другият към VDD. След задействане на бутон полученото логическо ниво на OVRESET остава завреме tMR и тогава се възстановява нивото при незадействан бутон. Предвидени са 4 стойности на tMR между 1,68 s и 10,08 s, като всеки модел може да има една от тях, отразена с допълнителна буква в означението му. Моделът MAX166444US16K/V+T от серията е за ползване в автомобили и параметрите му са в съответствие със стандарта AEC-Q100. Същата компания произвежда и серията от 8 модела МАХ16140 - МАХ16159. Тя е с VDD от 1,7 до 4,85 V и IDD=0,37 uA, атипични размери на от корпусите са 0,73x0,73x0,5 mm. Тези габарити определят и наименованието на серията nanoPower Tiny Supervisor. Числа в означението показват коя от 64-те стойности на VDD притежава даден модел. И тук има бутон за ръчно задействане с буква в означението за една от 8-те стойности на tMR между 0,217 ms и 2 s.

За VTH=3,08 V e MIC8115 на Microchip Technology c VDD=1 - 5,5 V и IDD=5 uA. Този супервайзор има друго действие при ползване на бутона за ръчно изключване. Когато захранващото напрежение на управляваната схема нарасне до VTH, тя не се включва веднага, а след време tRST=1,1 s.

Компанията ON Semiconductor произвежда двете серии супервайзори NCP304 и NCP305 с VDD=0,8 - 10 V и IDD=1 uA. Сериите са с VTH между 0,9 V и 1,7 V, като първата включва 21 модела с различни VTH в тези граници, а другата - 9 модела. Стойността а VHYS е правопропорционална на VDD и е в границите от 45 mV до 235 mV. Texas Instruments произвежда серията LP3407A от 8 супервайзора с VDD=0,95 - 10 V и IDD=0,3 uA. Стойностите на VTH са между 2,63 V и 4,63 V, като всеки от моделите е с фиксирано напрежение. Хистерезисът е 100 mV за моделите с VTH между 2,63 V и 2,93 V и 200 mV за останалите. Стойността на времето tRS се задава чрез кондензатор с капацитет между 10 nF и 1 uF и има стойности 6,2 - 619 ms. Без кондензатор времето от 50 ms е определено от самия супервайзор.

Супервайзори за контрол на повече напрежения. Приложенията им са за ИС с повече от едно захранващо напрежение, както и за такива с няколко ИС. Броят на контролираните напрежения най-често е 2 или 4, а наименованията на приборите са съответно двоен супервайзор (Dual Cannel Supervisor, Dual Supply Monitor) и четворен супервайзор (Quad Channel Supervisor, Quad Supply Monitor). Съществуват супервайзори за три напрежения (Triple Channel Supervisor, Triple Voltage Monitor) и за повече от четири (More Channel Supervisor, More Voltage Monitor). Компанията Analog Devices произвежда двойния супервайзор LTC2966 със захранващо напрежение VDD=3,5 - 100 V и IDD=7 uA. За всяко от контролираните напрежения има отделен вход за задаване чрез резисторен делител на VTH между 1,75 V и 98 V, както и отделен изход RESET. Едно и също e VHYS за двете напрежения със стойност 22 mV.

Двойният супервайзор NJU2103А на компанията New Japan Radio (NJR) се захранва с VDD=2,5 -18 V и има IDD=280 uA. Изходът OVRESET е общ за двете контролирани напрежения, но за всяко има отделен вход и задаване на VTH чрез резистивен делител. Различо е VHYS за двете контролирани напрежения - 28 mV и 100 mV. Особеност е задаването чрез кондензатор на продължителността на импулсите на OVRESET между 0,15 ms и 1,5 s.

Типичен пример за четворен супервайзор е МАХ16160 на Maxim Integrated с VDD=1,7 - 5,5 V и IDD=17 uA. За всяко от контролираните напрежения има отделен вход с резисторен делител за задаване на VTH. Стойността му за едно от напреженията е между 1,76 и 5 V, а за останалите три е 0,5 - 5 V. Хистерезисът е 0,25% от VTH, а един от корпусите на ИС от серията е тип WLP с размери 1,41x0,848x0,28 mm. Също четворни супервайзори са петте модела от серията STM6710 на STMicro-elec-tronics. Схемите се захранват с VDD=1,2 - 5,5 V, което напрежение се следи чрез един от входовете. Останалите три входа са с фиксирани VTH от 1,8 V, 2,5 V и 5 V при различни техни комбинации в зависимост от модела. Предвидена е и възможност за задаването им чрез резисторен делител. Серията е с един изход RESET за всички контролирани напрежения с фиксирано време tRS от 200 ms. Корпусът е с 6 извода и размери 3,05x1,75x1,3 mm.

Серията от четири двойни супервайзора TPS3779 на Texas Instruments се захранва с VDD=1,5 -6,5 V при консумация IDD=2 uA. Разликата между моделите на серията е в широчината на хистерезиса (0,5%, 1%, 5% и 10% от VTH), като всеки от тях е с прибавена буква в означението. Супервайзорите контролират две напрежения, различни от VDD и подавани на отделни входове. Напрежението VTH на всяко от тях се установява чрез резисторен делител и в границите 0 - 6,5 V.

 

Супервайзори с горен праг

Приборите от тази категория (Overvoltage Supervisors, Over Voltage Detectors) все повече се заместват от електронните предпазители (eFuses), което е определящо за малкия брой нови модели. Пример за един от тях е серията BD73Hxx-2C на ROHM Semiconductor с VDD между 0,8 и 6 V и консумация IDD=0,27 uA. Тя включва 4 модела с VТН между 3,46 V и 3,76 V, без хистерезис и има параметри в съответствие със стандарта AEC-Q100.

В съответствие със същия стандарт е серията TPS3870-Q1 на Texas Instruments с VDD=1,7 - 5,5 V и IDD=4,5 mA. Тя е предназначена за контрол на напрежение, различно от VDD, подавано на отделен извод SENSE. Включва 24 модела с VTH между 0,5 и 5 V, за всеки от които има 5 варианта схистерезис между 3% и 7% от стойността на VТН. Възможно е задаване на VТН, различно от това на моделите, чрез външен резисторен делител. Серията е с вход OVMR за изключване с бутон ивход за задаване на времето tRS за включване на управляваната схема след отпускане на бутона.Всеки от моделите има по 4 разновидности с различно tRS между 50 us и 10 ms, всяка от коитоима допълнителна буква в означението. Други стойности на tRS между 1,27 ms и 3,06 s могат да се задават чрез свързване на кондензатор към вход СТ.

 

Супервайзори за следене на работата на процесори

В основата на действието им са отдавна известните от изчислителната техника watschdog таймери. Те следят за появата на неправилното действие на софтуера и много бързо възстановяват работата на компютъра. Прилагането на този принцип при супервайзорите им позволява да следят работата на управляваната от тях схема, която най-често е микропроцесор или микроконтролер. Съществуват приложения и за други ИС с аналогичен основен блок. Работата на тезисупервайзори изисква допълнителен вход WDI (от watchdog input) и само в някои и изход OVERLINE WDO (OVWDO).



Идея за действието на WDI може да се получи от фиг. 3а. При VDD<VTH има логическа 0 на изходи OVRESET и WDI. След като VDD достигне до VTH на управляваната схема тя започва да работи ина изхода й, свързан към WDI, се появяват правоъгълни импулси. Приемането им от супервайзорастава след време tRP (RESET Timeout Period) и те постъпват в брояч на супервайзора. Периодичноза време tWD (Watchdog Timeout Period) се проверява наличието им, при което не се променя VDD иуправляваната схема продължава да работи. След завършване на tWD броячът се нулира за време tRP и работата продължава. Същността на свързването на супервайзор към микроконтролер е дадена на фиг. 3б. Импулсите на WDI се получават на един от изходите I/O на микроконтролера, анапрежението на изход OVWDO е за включване и изключване на супервайзора. Изходът OVWDO ес отворен дрейн, което обяснява наличието на резистора 4,7 килоома. Разрешаването на работата на супервайзора става с OVERLINE EN = 0. Поради значителното разнообразие в структурите на супервайзорите твърде различни са описващите действието им времедиаграми. Сведения за всичко това са дадени в тяхната техническа документация.

Компанията ams (Austria Microsystems) произвежда серията от 7 супервайзора AS1916 без изход WDO. Тя работи с VDD=1,2 - 3,6 V при консумация IDD=5,5 uA. Напрежението на всеки от моделите е фиксирано на стойност между 1,58 и 3,08 V при типични времена tRP=215 ms и tWD=1,5 s. Серията е с вход MR за бутон.

С WDI и OVWDO е серията РТ7А7611-РТ7А7615 на Diodes Inc. Един от моделите в нея е за VDD=2,7 - 5,5 V, два са за 3,3 - 5,5 V и два са за 4,5 - 5,5 V, като всички са с IDD=10 uA. Всеки от приборите има фиксирано VTH между 2,63 и 4,03 V и хистерезис 0,8% от VТН. Времената tRP и tWD са съответно 200 ms и 1,6 s. Моделите имат вход OVMR и специфичен допълнителен вход PFI за контрол на входното напрежение на захранването на супервайзора и управляваната схема стабилизатор. Това позволява ползването на супервайзорите за критични към захранването приложения.

Серията от 5 супервайзора МАХ16152 nanoPower на Maxim Integrated с изводи WDI и OVWDO има IDD=0,4 uA при VDD=1,2 - 5,5 V. Стойностите на VТН са 1,5 V, 1,8 V, 2,5 V, 3,3 V и 5 V при хистерезис 0,4% от VТН. Всеки от моделите има 5 стойности на tRP между 16 ms и 256 ms и на tWD между 100 ms и 64 s. Те са с вход OVMR и корпус WLP.

Компанията Renesas произвежда серията ISL88706x от 4 модела с изводи WDI и OVWDO, VDD=2 - 5,5 V и IDD=10 uA. Те са с VТН=2,63 V, 2,92 V, 3,09 V и 4,38 V при хистерезис между 31 mV и 46 mV, пропорционален на VТН. Стойностите на tRP и tWD са съответно 200 ms и 1,6 s. Серията ес вход OVMR, вход RFI и изход OVPFO. При напрежение на PFI до 1,25 V на OVPFO се повтаря напрежението на PFI, а при по-голямо UPFI на OVPFO се установява логическа нула.

STMicroelectronics произвежда STM6823 с WDI, захранване VDD=1,2 - 5,5 V и консумация IDD=3 uA. Серията е с VТН между 2 и 4,63 V и хистерезис 10 mV, като допълнителна буква в означението на даден модел показва стойността на неговото VТН. Времето tRP е 1,4 ms, 200 ms или 360 ms, също маркирано с буква в означението, а tWD e 1,6 s. Последният супервайзор TPS3850 на Texas Instruments е с WDI и OVWDO, захранване VDD=1,6 - 6,5 V и IDD=10 uA. Полезна за много приложения особеност при него е поотделното програмиране на минималното и максималното контролирано напрежение чрез различни свързвания на три извода. Времето tRP също може да се програмира между 0,7 ms и 3,227 s, а tWD - от 55 ms до 1,6 s.

 

 



ЕКСКЛУЗИВНО

Top