使用合適的視窗電壓監控器優化系統設計

作者：ADI 產品應用工程師Camille Bianca Gomez 及產品應用經理 Noel Tenorio

摘要

使用視窗電壓監控器可以防止欠壓和過壓的情況出現，進而更能調節系統電源。穩定的系統電源可保護系統或負載，以防出現潛在故障，甚至使其免遭損壞。不同的視窗電壓監控器架構提供容差、欠壓和過壓閾值設定以及輸出配置選項，以便根據應用實現設計彈性。本文目的在透過列舉不同的架構示例，協助工程師和系統設計人員確定適合其應用的視窗電壓監控器。

簡介

在汽車、工業或家用電器等領域，電壓突然波動可能會引發嚴重的問題。造成該系統電源問題的原因可能包括電壓尖峰、電流不順暢或不穩定、雷擊、閃爍等。

無論視窗電壓監控器低於還是高於電壓範圍，其都可以檢測一定範圍的電壓，並提供可用於執行保護機制的輸出訊號，因此使用視窗電壓監控器有助於防止系統出現故障。視窗電壓監控器具有不同的架構和特性，要想實現卓越的系統設計，需要能更瞭解每種類型。選項包括電阻可編程欠壓(UV)和過壓(OV)斷路、固定或工廠調整的UV/OV閾值、用於監控多個電壓的多通道，或單一UV/OV或獨立UV和OV輸出選擇。

瞭解視窗電壓監控器

視窗電壓監控電路與傳統視窗檢測器電路類似，其使用兩個比較器，並且每個比較器檢測相對於其基準電壓（即上限和下限）的公用輸入電壓。輸出以兩個基準閾值電壓間視窗的形式顯示輸入的檢測結果。簡單地說，該電路不僅檢測低於閾值的電壓，也檢測高於閾值的電壓。傳統視窗檢測器電路及其波形如圖1所示。

在該電路中，當 V_IN 大於下限時，U2的輸出將從低狀態轉變為高 狀態。與U1相反，當 V_IN 大於上限時，輸出將從高狀態轉變為低狀態。因此，如果 V_IN 大於下限且低於上限，則兩個比較器的輸出都將切換至高狀態，並打開及(AND)閘輸出¹。

提供UV輸出和OV輸出的電阻可編程電壓閾值

此類型架構在外部採用三電阻配置，其中，在為監控系統電源上的UV和OV條件設定閾值時，電阻分壓器連接到比較器的負輸入和正輸入。該架構沒有為UV/OV閾值視窗定義容差，但用戶可手動進行設定。此類型監控器提供單通道和多通道版本，因此這些監控器的電源電壓 V_CC 與輸入或監控接腳分開。

圖2所示為正電壓監控框圖，其中包括每個通道的專用UV和OV輸出，以及其輸入與三個外部電阻的連接情況。在監控正電源電壓 (V_M)時，當高側電壓(VH)低於內部基準電壓時，將觸發UV條件，而當低側電壓(VL)超過內部基準電壓時，將觸發OV條件。使用電阻可編程視窗電壓監控器的優點在於，其允許用戶設定所需的UV和OV跳變點，其中，選擇R1以設定OV監控器的所需跳變點，選擇R2以設定UV監控器的所需跳變點，而R3用於完成設計。要確定每個電阻的值，請參見公式。

假設用戶已有電阻分壓器中被監控電壓 (V_M)和標稱電流 (I_M)的值，

對於R1，

對於R2，

使用外部電阻的一個考慮因素是，外部電阻會增加系統的功耗，並且可能會拓寬整體精度。使用大阻值的電阻可大幅降低功耗，而小阻值的電阻可用於維持整體精度。

MAX16009採用此類型架構，這是一款低電壓、高精度的四視窗電壓監控器。該產品具有設計彈性，例如可在多個通道中設定低至0.4 V的UV和OV閾值。圖3是使用MAX16009的示例。該元件用於內視鏡的示波器部分，內視鏡是一個配備燈具和攝影機的長管，可插入人體以觀察腔體或器官內部。該系統在低電壓位準下採用多個電壓軌運行。該電壓監控器透過監控核心電源電壓和現場可編程閘極陣列(FPGA)的輸入/輸出電源電壓來確保不會出現電壓危害，進而提高系統的可靠性和穩健性。

ADM12914也具有電阻可編程UV/OV閾值，這是一款精度為±0.8%的四通道UV/OV正/負電壓監控器。該監控器具有三態接腳，用於決定第三路和第四路輸入的極性，進而允許元件監控正電源或負電源。其高精度監控對於脈衝繞組測試儀等儀器應用非常寶貴，脈衝繞組測試儀可以發現變壓器、馬達等線圈產品中的潛在缺陷。其可以檢測層間絕緣性低的單元，這在生產的早期階段通常很難發現。該測試儀用於在繞組端子施加脈衝電壓，並將測試波形與已知良好繞組產生的參考波形進行比較，以此檢測缺陷² 。此應用使用高速採樣類比數位轉換器(ADC)產品對波形進行採樣和顯示，並將其與標準波形進行比較，以進行檢測。ADM12914在閾值設定方面具有彈性，並提供高閾值精度，這些優勢有利於精準監控脈衝繞組測試儀中不同電路模組（如ADC驅動器、高速放大器和微處理器）的電壓偏置。因此，該元件對於生產高品質線圈產品非常重要，這些線圈產品最終將用於工業、汽車和消費類產品。

表1列出了ADI視窗電壓監控器的示例，這些監控器具有基於通道數的電阻可編程UV和OV閾值。

具有可選視窗的工廠調整電壓閾值

此類型視窗電壓監控器架構提供工廠調整的電壓閾值，並為UV/OV閾值提供可選視窗。其中一些類型提供單一或獨立欠壓和過壓輸出選項。

MAX6762採用此類型架構。該元件提供固定的工廠調整電壓閾值，可監控0.9 V至5 V的系統電壓，並為定義的UV/OV閾值提供可選的±5%、±10%或±15%視窗，無需外部元件及其變體。視窗可透過SET接腳的狀態進行選擇，以使系統工程師能夠彈性優化其設計。與我們討論的第一種類型的架構不同，這些視窗電壓監控器的 V_CC是被監控電壓。因此，沒有單獨的監控接腳。圖4所示為MAX6762的功能框圖，顯示了UV/OV閾值視窗選項和輸出配置。

需要嚴格調節電壓且對雜訊敏感的應用可輕鬆選擇嚴格容差選項。另一方面，如果應用對電源雜訊的容忍度更高且不需要嚴格調節，則可以選擇設定更寬的容差，以充分擴大可用電源視窗，避免過度敏感和系統振盪。透過該架構，設計人員可利用解決方案來平衡彈性與複雜性。工廠調整的電壓無需外部電阻，同時允許透過SET接腳彈性選擇合適的視窗，進而簡化了解決方案。

圖5顯示了無線收發器的簡化電源樹示例。除了需要卓越的雜訊性能，該應用還需要嚴格調節供電軌。低壓差(LDO)穩壓器等後線性穩壓器通常用於抑制開關雜訊帶來的雜訊以及上游電源中開關穩壓器的諧波分量，但有時高性能開關穩壓器便已足夠。然而，使用視窗電壓監控器可確保類比和數位電源在工作時滿足嚴格的調節要求，進而提高整體可靠性。在該示例中，具有已定義閾值視窗的MAX6762監控供電軌。由於使用的穩壓器具有卓越的雜訊性能，因此可以選擇更嚴格的容差。UV輸出配置為邏輯OR，可將微處理器置於重定模式，OV輸出則作為微處理器不可遮罩中斷(NMI)的輸入。

表2列出了視窗電壓監控器的示例，這些監控器提供具有可選視窗的工廠調整電壓閾值。此類型架構提供單通道和雙通道版本，並有獨立UV和OV輸出或單一UV/OV輸出可供選擇。

提供單一UV⁄OV輸出的工廠調整電壓和視窗

此架構可在工廠設定的閾值視窗中檢測UV或OV故障。採用此架構的常見監控器提供單一復位輸出。此外，可在單晶片中監控多個電壓軌的多通道選項提供各種閾值，以適應不同的電源電壓和容差。

在圖6中，此類型視窗電壓監控器使用內部比較器根據輸入電壓(IN)和輸入電源電壓 (V_DD)來確定輸入條件。透過IN接腳分別為UVLO位準及被監控電壓的OV和UV監控 V_DD 位準。如果IN超出預編程的UV/OV視窗，重定輸出將置位。基準電壓決定了各種工廠調整的標稱輸入電壓，以及符合給定閾值精度規格的廣泛輸入容差選項。容差根據編程的標稱輸入電壓設定UV/OV閾值水準。此外，該電壓監控器在視窗閾值具有內部滯回，可協助避免雜訊引起的多重故障條件。

MAX16193採用該架構，這是一款精度為0.3%的雙通道監控電路， 其選定的標稱輸入電壓(VIN_NOM)為0.9 V，輸入容差水準(TOL)為4%。 以下公式用於確定UV和OV閾值水準（UV_TH和OV_TH）：

在電源電壓範圍內，閾值精度(ACC)為0.3%，如下所示：

為協助我們直觀地看到這些值，圖7顯示了已計算參數的圖解。 計算結果可透過使用 視窗電壓監控計算器獲得，該工具可協助系統設計人員確保設備規格符合電源操作視窗等設計要求。圖7顯示，使用該標稱電壓為0.9V、容差為4%、閾值精度為0.3%的元件後，電源工作視窗將為±3.7%。此示例適合核心電壓較低且需要嚴格調節的應用。

其他採用相同架構的產品包括MAX16132至MAX1635，這是一系列低電壓、高精度單/雙/三/四電壓監控器。這些元件的溫度和視窗閾值監控閾值精度為±1%，非常適合先進駕駛輔助系統(ADAS)應用。元件提供多個標稱電壓選項可供選擇，以支援應用要求。ADAS解決方案包含攝影機、遠端雷達、超音波、光達(LIDAR)感測技術。圖8顯示了ADAS框圖的示例，其中視窗電壓監控器位於電源管理系統模組中的電源監控器類別下。感測電路要求為放大器、ADC、雷達收發器和微控制器等元件監控多個不同的電壓軌，範圍可能從1.8 V到5 V不等。當系統中的電源電壓無法提供足夠的電壓位準時，系統準確感知環境的能力就會受到負面影響。實際上，感測器可能很難準確檢測和追蹤物體，進而導致誤警報或漏報³ 。MAX16132至MAX1635提供多個可供選擇的調整電壓閾值選項，這些選項能夠以高精度支援ADAS要求，進而滿足嚴格的調節要求。這些元件提供可在工廠編程設定的標稱輸入電壓，範圍為1 V至5 V，並為±4%至±11%的輸入容差、0.25%和0.5%的滯回提供廣泛選項。

該視窗電壓監控器通常用於協作機器人(cobot)等工業應用領域。協作機器人是一種自主機器人工人，負責執行重複性任務和危險任務，在共用工作空間內與人類工人一起工作。協作機器人配備多種具有安全特性的感測器，當其檢測到附近有人或與人類工人接觸時會自動停止，然後等人類工人離開該區域後，又恢復工作。機器人系統的即時控制可透過FPGA的快速處理能力實現⁴。經過微調的馬達控制和穩定反饋迴路等關鍵功能需要高精度電源系統監控器，而MAX16134可以提供此類監控器。

表3中顯示的不同通用產品提供工廠調整的閾值電壓和容差選項，這些產品具有給定精度以及不同的通道數。

結論

視窗電壓監控器通過監控欠壓和過壓來降低電源故障的可能性，進而提高可靠性和系統穩健性。ADI提供多種視窗電壓監控器可供選擇，以支援不同的應用，同時，ADI也設計並提供不同的架構以用於設定電壓閾值和容差，協助系統架構師完成優秀的設計。

參考電路

¹ Noel Tenorio。「電壓監控器如何解決電源雜訊和突刺問題」。 《類比對話》，第57卷，2023年11月。

²Yuki Maita。「使用新型脈衝繞組測試儀進行高精度繞組測試」。EE Power，2019年12月。

³Bonnie Baker。「把關士兵保護ADAS電源電壓完整性」。ADI，2020年7月。

⁴R.Niranjana。「基於FPGA的機器人和自動化」。FPGA Insights，2023年8月。