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监控电池供电设备的电源管理芯片
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Supervisor ICs for Battery-Power
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■中科院青岛海洋研究所 徐永平
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为了保证带有微处理器( P)系统能够正常的工作，当通电、断电，以及进入或退出关机和睡眠状态时，都需要对电源进行监控管理。电源管理芯片具不仅具有通电复位的功能，还可以提供附加的功能，例如备用电池的管理、存储器的写保护、电源低
(Low-Line)早期报警或 软件看门狗等。图1表示由电源管理芯片IC1（MAX807）管理 P系统的电源。
下面介绍如何选择最合适的应用和解决微处理器系统的电源管理问题。
首先决定将要发出复位信号的电源电压Vcc的阈值。当电源电压超过误差范围，确定执行 P的复位程序。典型的电源管理监控芯片即通电复位电路MAX807如图2所示，它由参考电压，比较器和定时电路等组成。Vcc分压后的电压与参考电压通过比较器进行比较，其阈值决定于分压器的分压比，当Vcc高过阈值电压（VRST）时，比较器输出跃变信号，此跃变信号触发定时器，并保持复位状态，防止程序的运行，于是启动系统的振荡器，直起到稳定时为止，然后正常运行程序。当Vcc下降低于VRST时，管理芯片再次发出复位信号，Vcc低于VRST多长时间，复位维持多久。对于某些单片机（
C），可用简单的RC电路作为通电复位的定时电路，或在 C芯片上提供复位功能。这些方法都是假定电源电压的特性是可预计的。但是当断电时，更为重要的是当节电（brownout）状态，Vcc较长时间稍低于稳定电压时，它不能防止代码执行错误。而电源管理芯片对于上述情况则最为有用，发挥其监控功能。
影响阈值的因素包括Vcc的误差、系统芯片允许最高和最低的电源电压，以及这些因素可能的最坏的组合.对于许多系统，并不指望复位功能要复盖所有可能的情况，包括在整个温度范围内的最坏的组合。例如某一系统可能包含多个芯片，其规定Vcc的最小值为4.75V，但按照电源管理的设置，其最小／最大阈值范围是4.5V/4.75V.在这样情况下，只是当Vcc降到低于保证芯片正常工作的最小电压之后，电源管理芯片才决定复位。
另一种选择是复位阈值在4.75V和（或许）4.85V 之间。当电源降到最低值之前，就能发生复位。一般的讲，必须决定：或者为了在较低电压时增加操作时间，允许采用较低的阈值；或者为了减少操作时间，采用较高的阈值，则需额外的开销。电源管理芯片目前可达到的复位阈值误差可缩小到
1％。
多个电源的监控
很多应用中需要5V和3.3V电源。如果任何一个不稳压，则必须将整个系统复位。在加电时必须有适当的通电复位时间，以保证系统正常运行。增加一个电源故障(power-fail)比较器和手动复位（MR－bar）输入，就能很好地解决这个问题。
选用如图3所示的电源管理芯片（MAX706），它的一个电源故障比较器用作3.3V电源的内部监控，再用另一个空闲电源故障比较器监控5V电源。用法很简单，将5V电源接到分压器，分压器的输出接到空闲电源故障比较器的输入端(PFI)，与1.25V电压相比较，比较器的输出端（PF0）接到手动复位输入端（MR－bar
inprt， MR）。因此当3.3V和5V电源任何一个不稳压或降低时均可发出复位信号。因为监控芯片（MAX706）是由3.3V电源供电，工作时其输出摆幅为3.3V，此电平满足大多数5V处理器VIH（输入高态）的要求。
关机程序的早期报警
重要的系统需要对电源电压（Vcc）在开始下降时作早期的报警。这种报警允许有足够的时间，在 Vcc下降导至监控芯片发出硬复位信号之前，保证
P存储重要数据，实现内务管理（housekeeping）。如果未稳压的直流输入电压是可以连接到的，它可由欠压（under voltage）或电源故障（power-fail）比较器作监控，当未稳压电源出现故障时，向处理器发出中断请求。
如果不能连接到未稳压的输入电压，当监控稳压后的电源时，则必须产生早期报警和复位信号。可以用一个阈值检测电路产生电源低（low-line）早期报警信号，外加延时定时器发出复位信号。也可以用两个不同的比较器，一个产生tLOWLINE（电源低），另一个产生tRST（复位）信号。另一种办法，就是在发出电源低信号引起中断之后，必须保证有足够长的时间维持Vcc有效，以便完成关机程序。
完成关机/备用（Shutdown/backup）程序所需要的时间，因应用的不同（如Vcc下降的速率差异）而有很大的变化。因此必调节不同应用所需要的，从电源低到复位之间的延迟时间。两个阈值比较器的方法比延时复位法方便。将电源低阈值调到比复位阈值高几十毫伏，并按照关机程序所需的时间调节Vcc下降的速率，这就可以同一类型管理芯片作许多不同的应用。
在很多电池供电的便携式系统中，电池中所保存的能是可提供足够的时间，能够在电源低报警到复位信号之间的时间之内完成关机程序。如果 Vcc下降很快，可在电源开关的负载边连接大容量的电容器，以降低电源下降的速率，提供执行关机程序的时间。
在考虑延时电容的电容值CHOLD时，首先考虑最坏情况下执行关机程序所需要的时间。然后是最坏情况下的负载电流，最小的电源低和复位阈值电压之间的差值（VLRmin），则CHOLDChol可按下式计算:
C_{HOLD}≥I_{LOAD}{t_{SHDN}}\over{V_{LRmin}}
式中ILOAD：从电容顺释放出的电流
VLRmin:电源低与复位阈值电压之间最小差值。
tSHDN:顺序关机时间，包括复位比较的传输延迟。
当电源低（low-line）的阈值设置得高于复位的阈值时，由于噪声可能产生假的电源低触发信号。为了克服这个问题，可用适当的傍路滤掉噪声，在完成关机程序后用软件监视电源低中断。当处理器接收到从电源低比较器送来的一个中断时，它完成备份／关机（backup/Shutdown）程序，然后返回监视中断。如果电源或负载的瞬变使电源低很快地回高，则软件重新加载和存储参数，开始热启动（warm
start-up）。如果电源确实发生故障，电源低信号后随一个复位信号，则正式的电池备份操作模式就开始了。
DC-DC电源提升电路延长关机时间
如果备份／关机程序需要的时间，比所用存储电容所能提供的更长，则可用DC-DC转换器，维持Vcc电压，使关机程序得以正常运行。一旦完成备份的转换，则
P可以断掉DC-DC转换器。
参看图4，IC2（MAX777）是一个DC-DC电源提升转换器，当5V主电源发生故障时，它就向电源管理芯片IC3(MAX807)和系统
P 提供5V电源。电源出现故障的征兆，譬如主电源下降到4.65V以下IC1关断Q1，连带Q2关断，并中断 P。IC2芯片则提供电源，将电压从4.65V回升到5V。复位阈值尚未达到，不会向
P 发出复位信号。当 P 完成其关机程序后，它直接再将IC2切断，于是系统转向正式的电池备份模式。提升转换器可供给100mA的电流，锂电池将消耗到2.5V。如果需要，可以对RAM备份和提升转换器分别提供电池。
防止假复位
电源监控电路必需不会因噪声而产生假复位信号。在数字电源线上大约50mv的噪声是很普遍的，当电路模块，外设和其它子系统接入或断开时，引起负载的瞬变，如果复位比较器的传输延时太短，将产生严重的问题。
选用复位比较器传输延时为10mS 至30mS 的电源监控电路，可以避免假复位。较短的传输延迟（几百nS），将快速的反映Vcc的瞬变，所以很可能产生假复位。另一方面，长的延迟，可能在复位处理器之前，使Vcc下降到远远超出系统芯片允许的工作范围。
电池备份
对于要求非易失性存储器（non-volatile memory）的系统，设计者就选用可擦写/可编程存储器（erasable/proprammable
memory）或带有备份电池的COMS RAM.对EEPROMs和闪存（flash memory）的选用，不仅考虑其存储容量的大小，还要考虑其经受写周期的次数。最普通的非易失性存储器还包含一个开关，它将COMS
RAM接到备份锂电池或Vcc，也不管哪一个电压高一些。
利用超大电容（大约0.5F）作为短期的存储器备份电源，是一种普遍采用的手段。所谓SuperCapTM或MaxCapTM电容，在正常工作时Vcc电源经过二级管向电容器充电。充电电流受电容器内阻的限制，其阻值相当高。在Vcc电压降到低于芯片的复位阈值电平时，将RAM（存储器）的电源端从Vcc切换到电容器，于是超大电容所存储的电量作为存储器备份电源。
其可以使用的备份时间，取决于供给RAM和电源监控芯片的静态电流，以及电容器本身的漏电。许多系统在备份模式下仅需几十微安的电流，这样的备份电容器可以维持存储的内容长达几小时。
备份电池切换3V电池时还会遇到一个问题：如何确定在3.3V 的Vcc和3.6V 锂电池之间进行切换。一种方法是设定Vcc电源参考地的电压（ground-referenced
voltage），使它略高于CMOS RAM的最低备用电压。因而Vcc向RAM供电直到它的电压略高于2V，随后将RAM切换到备份电池（图5）。
特殊情况
为了节省电池能量，电池供电便携式设备的设计者经常使用80CL51 C（单片机）的节电模式。如果保存CMOS存储器的内容是非常重要的，则可进入节电模式。当主电池的Vcc电压降低到使超出允许的范围时，芯片（参看图5）MAX973的LOWLINE输出端产生一个中断信号，于是起动关机程序，进入节电状态。RAM
的内容可以保存住，而节省电池的消耗。
C处于节电模式而且电源监控芯片的RESET（复位）端直接接到 C 的RST（复位）端。当Vcc下降到低于复位阈值电平，将使RESET变为高态，于是唤醒
C使之进入运行模式。使它的静态从大约100 A增加到6mA。电池电压继续政降，Vcc仍维持在低于于阈值电平，6mA的电流继续从电池流出，这就大大缩短了可用的备用时间。
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