嵌入式系統(tǒng)電源監(jiān)控模塊設(shè)計

1 引言

嵌入式系統(tǒng)對供電電源要求比較嚴(yán)格．通常都需采用獨立的穩(wěn)壓器件供電。在嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計中，通常在電源模塊的交流輸入端為供電提供過壓保護，但在直流輸出端一般只是采用穩(wěn)壓器件為系統(tǒng)提供正常的供電，并提供一個發(fā)光二極管檢測直流電壓的有無，并未過多的考慮系統(tǒng)工作時電源模塊輸出電壓是否準(zhǔn)確以及能否讓各種器件正常運行。針對這一現(xiàn)象，這里給出一種應(yīng)用于某嵌入式系統(tǒng)的電源監(jiān)控模塊的設(shè)計方案以及具體的硬件實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計思想

嵌入式系統(tǒng)中供電電壓過高會損壞器件，而過低集成電路則導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。因此電源監(jiān)控模塊設(shè)計需遵循以下原則：

(1)保護原則

電壓過高，必然會燒壞器件；有時，電壓過低，由于系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，可能不僅會影響器件的正常工作，還會對器件造成一定損害。因此，電源監(jiān)控模塊不僅需要實現(xiàn)過壓保護，還需要實現(xiàn)欠壓保護。
(2)預(yù)警原則

在系統(tǒng)工作前，需要對供電電壓進行預(yù)檢測，判斷電壓是否符合設(shè)定值，并能給出正確的判斷指示。同時，在系統(tǒng)工作時，也應(yīng)該能夠?qū)崟r的對工作電壓進行檢測判斷，同步指示系統(tǒng)供電是否正常。

在某無線通信設(shè)備便攜式檢測平臺系統(tǒng)中，采用ARM與FPGA相結(jié)合的嵌入式主控模塊，主控模塊需+5 V、+3．3 V、+2．5 V和+1．8 V 4種供電電壓，電源監(jiān)控模塊應(yīng)能提供兩種主要功能：在系統(tǒng)啟動前能夠?qū)﹄娫垂╇娔K的工作狀況進行自檢，并能實時的指示電源模塊的工作狀態(tài)；對系統(tǒng)中的其他模塊提供實時的欠壓／過壓保護。

3 主要器件選擇及工作原理

3．1 電源監(jiān)控器件

該系統(tǒng)設(shè)計的電源模塊采用新型電壓監(jiān)測器件ADM1184。該器件能夠精確監(jiān)測嵌入式處理器核心器件的工作電壓，以確保其在容許的電壓范圍內(nèi)運行。ADM1184將精確度改善至低于±0．8％．使其符合目前對于處理器監(jiān)測需要的要求，因此該器件能廣泛用于如便攜式無線通信檢測平臺等敏感且具有高可靠度的應(yīng)用裝置中，使得系統(tǒng)更安全、更具可靠性，從而達到最優(yōu)的性能。同構(gòu)型的多重電壓監(jiān)測器與序列發(fā)生器通常只能達到大于±1．5％的精確度位準(zhǔn)，要監(jiān)測在低容錯度以及較窄運作波段下進行低電壓核心電源供應(yīng)的處理器，難以符合需求。ADM1184擁有4組具有0．6 V參考電壓的精密比較器，用來監(jiān)測獨立的電壓通道。該電壓監(jiān)測器件可以在2．7～5．5 V的供電電源范圍中工作，且具有4組能夠加以編程設(shè)置的輸入，以監(jiān)測外部不同電壓位準(zhǔn)。

3．2 穩(wěn)壓器件

考慮到系統(tǒng)各模塊所需+5 V電源的電流在2 A，因此需要選擇一種輸出電流較大的穩(wěn)壓器，產(chǎn)生+5 V電壓的器件，這里選用LM2676,如圖1所示。

LM2676是一種開關(guān)型集成穩(wěn)壓器，可提供一個驅(qū)動能力達3 A，可逐級下降的開關(guān)穩(wěn)壓器的所有功能，具有良好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性：使用一只低導(dǎo)通電阻的DMOS電源開關(guān)獲得高輸出效率；固定輸出3．3 V，5 V和12 V電壓，或調(diào)節(jié)輸出。

LM2676系列器件內(nèi)置熱擊穿保護電路、限流電路和開關(guān)控制輸入，可將供電降低至50μA靜態(tài)電流的休眠狀態(tài)。該器件具有150 mΩ的DMOS輸出開關(guān)電阻，輸出電壓額定偏差為+2％，時鐘頻率偏差為+11％，效率高達94％，使用方便。該系統(tǒng)中，主電源為5 V電源，從5 V到3．3 V、2．5 V的轉(zhuǎn)換一般使用LDO(低壓線性穩(wěn)壓器件)。在此選用MIC29302器件，這是一種高精度，低漏電穩(wěn)壓器件，其輸出電流達800mA，可滿足系統(tǒng)電源要求，其主要電路如圖2所示。

3．3 模塊工作原理

圖3為ADM1184監(jiān)視4個電源通道的一個應(yīng)用。在該應(yīng)用中，ADM1184依次開啟3個穩(wěn)壓器，當(dāng)所有的電源供電穩(wěn)定后產(chǎn)生供電正常信號來開啟控制器。

圖3中，3．3 V主電源通過引腳VCC給器件供電。引腳VIN1監(jiān)視3．3 V主電源。OUT1連接到第1個穩(wěn)壓器的使能端，在VIN1腳電壓到達0．6 V之前，該引腳接地，使得穩(wěn)壓器件不工作。當(dāng)系統(tǒng)的主電壓達到2．9 V時，VIN1引腳檢測到0．6 V。使得OUT1引腳電平置高，驅(qū)動穩(wěn)壓器件1的使能腳變高，器件正常輸出。該穩(wěn)壓器輸出的2．5 V電壓被VIN2腳檢測到，當(dāng)該電壓超過管腳設(shè)定的門限電平后，OUT2引腳電平置高，驅(qū)動穩(wěn)壓器2的使能引腳變高，器件2正常輸出。該工作原理在其他的輸入和輸出引腳也是同樣的。每一個電壓通道都通過OUTx引腳來開啟，通過VIN(x+1)進行監(jiān)控。當(dāng)所有監(jiān)控的電壓都超過預(yù)定的門限電平后，PWRGD信號在經(jīng)過190 ms延時后置高。


圖4為電壓輸入引腳的具體配置原理。每個引腳都連接一個精度比較器，每個比較器都有一個0．6 V的基準(zhǔn)電壓，最大精度誤差為0．8％。設(shè)計中，可通過連接到VIN1，VIN2，VIN3和VIN4引腳的電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)置被監(jiān)控通道的切換點。4個比較器監(jiān)視4個電壓通道。4個可調(diào)輸入端(VIN1，VIN2，VIN3，VIN)的閾值電平為0．6 V。當(dāng)需監(jiān)控一個高于0．6 V的電壓信號時，可采用如圖4所示的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。圖4中，VIN1引腳監(jiān)測一個+3．3 V的電壓信號。外接的分壓電阻將+3．3 V電壓分壓后接到VIN1引腳。分壓電阻的比例要使當(dāng)主電壓在上電到達預(yù)定電平(低于正常5 V電平)時，VIN1引腳上的電壓正好是0．6 V。R7為4．6 kΩ，R35為1．2 kΩ，因此，在2．9 V以下的電壓都不能使得第1個比較器的輸出置高。

4 結(jié)束語

該電源監(jiān)控模塊設(shè)計是建立在某無線通信綜合檢測平臺設(shè)計應(yīng)用基礎(chǔ)上的一種方案。該方案在對電壓信號的監(jiān)控上采用新型監(jiān)控器件，最終測試后達到預(yù)定監(jiān)控和保護要求。該方案可為嵌入式系統(tǒng)的電源監(jiān)控設(shè)計提供一定參考。