做好自启动不容易,理解稳压器和带隙基准的上电复位需求

2013-08-28 18:40:21来源: 互联网

自启动是必需的,但有时却难以实现,无论是激发人体,还是冷启动汽车,或者是给IC提供POR(上电复位),都会面临这样的问题。POR可以确保系统在已知的安全状态下启动。在此,我们将讨论几种误用这一技术的情形,帮助设计者避免启动问题。

  引言

  公司招聘销售人员和现场应用工程师时,积极主动是这些人员必备的良好素质;Charles Kettering发明的自动档汽车则是“主动性”的另一种表现形式,老式汽车都需要手动档启动汽油发动机。

  同样,许多IC(集成电路)在上电时也需要一个处理过程。启动时,模拟电路和数字电路需要进入一个预定状态,为此,我们采用称之为POR (上电复位)的电路。

  POR确保上电时按照预定顺序有序执行操作,例如,首先提供电路偏置并保持稳定,以确保电路的正确控制。立体声系统是一个众所周知的例子,接通电源后,可能会延迟10秒钟左右播放音频信号,以避免功放和扬声器受到开机瞬间浪涌电流的冲击。典型情况下,驱动扬声器的功放偏置在电源摆幅的一半,静态状态下,扬声器信号为直流电压。如果上电时就建立静态偏置,则可能出现突变,发出刺耳的“嘭”声,导致扬声器损坏,这也是有经验的音响发烧友从不冒险在带电状态下插拔设备的原因。

  为什么上电顺序是上电复位的一部分?

  上电顺序是一个需要花大量篇幅解释的课题。几年前,当三端稳压器刚刚进入市场时,人们发现在有正、负电源供电的系统中时常出现问题,如果反极性电压首先上电,稳压器输出可能被拉向对方的电压,这样一来,幸运的话,稳压器只是不启动,但没有损坏;运气不好的话,电路板会冒烟,甚至着火。

  为了防止这种事故的发生,芯片制造商在应用说明中建议用户增加二极管。后来,制造商把这一需求纳入其设计规范,从而消除了这一问题。但是,除非万不得已,有些负压稳压器仍然需要增加二极管保护。

  启动过程的奇特现象

  对正电压稳压器

  几年前,人们发现精密的正压稳压器在输出端被拉到地电平以下时将不能启动,该系列稳压器有三种温度范围的器件:0 - 70°C、-40°C - 85°C、-55°C - 125°C。出于成本考虑,有些工程师选用0 - 70°C工作范围的器件。他们知道实际应用中,器件可能在特殊情况下工作在100°C以上。为了确认器件能够保持有效工作,工程师们进行了相关测试。他们抽出100片器件,将其加热到135°C进行验证,测试结果显示这些器件都没问题。而产品应用到现场后,却出现了少量软故障,其中一台发生故障后又恢复正常。

  这台故障机被带回实验室,经过仔细检查,发现它在故障状态下,电压基准的输出被拉至地电位。如果将器件加热到105°C,并在输出端施加一个负压,则有2%-3%的基准不能启动。显然,无论是负压还是温度,都已超出了器件规范允许的工作范围。当工程师向厂商反映这一器件问题时,厂商对于器件在高温下不启动感到很奇怪。

  电压基准

  电压基准是精密的小电流、低温漂稳压器。图1中,电压基准内部运放的反相端(反馈节点)连接到输出端,齐纳管或带隙基准顶部的电阻连接在输入电源,内部稳压器或输出端,电阻也可以电流源形式表示。此时,您可以想象当正电源断电,而有负压施加到输出节点的状况。一旦电源重新上电,电路将无法在运放内部建立正确的偏置电压,内部寄生电容仍处于充电状态,从而保持电路始终关断。

  图1. 电压基准简化图

  运算放大器

  图2所示的运放输入结构画出了一个小电流源。IC内部的部分元件与地以及反偏二极管彼此隔离,有些元件由于结构的原因会产生寄生(无用的)二极管和三极管。正常情况下,这些寄生元件处于关闭状态,不会影响电路的正常工作,如果电流源被拉到负压,寄生元件就可能被正偏,将器件钳位在无法工作的状态;有时,这些寄生元件还会形成可控硅效应,在关闭电源重新上电之前始终保持导通,情况严重时,还会导致器件损坏。

  图2. 运放内部部分电路

  电容

  在IC内部,有些电容用于频率补偿,但也存在无用的电容效应。有些节点如果被充电至负压后,可能没有适当的电流通路对其正向充电,恢复电路功能。

  输出电路也必须正确偏置,使上方晶体管导通对外部电容充电。由于运放负反馈连接在输出端,需要升高输出电压,使电路处于线性工作状态。许多IC具有ESD (静电放电)保护,通常由二极管和稳压管等构成,如图3所示。

  图3. 典型的ESD结构,保护其它电路

ESD保护问题

  因为高压会损坏IC,必须提供必要的ESD保护。如果电压超过IC制造工艺允许的上限,有源器件将进入齐纳模式。器件击穿后,电流将快速上升,进入雪崩模式,产生大电流并导致硅片融化。负压过大时,同样会导致大电流并损坏IC。

  带隙基准

  带隙基准如图4所示,通常也会存在启动问题。带隙由两个正向偏置、具有不同电流的晶体管组成,某一路电流变化时,将引起两路电流在工作点重新均衡,其中一路为负温度系数,另一路为正温度系数。

  图4. 常用带隙结构

  选择适当的工作点,使得所产生的信号差与绝对温度成比例(PTAT)。理想的设计目标是确保输出电压不随温度变化。遗憾的是,运放有两个稳定的平衡点:设置电流和零电流,而且,在零电流点,电路无法确定如何恢复或修正。

  带隙基准计算器有助于设计、分析Brokaw带隙基准电路。它可以计算所有电路参数以及输出电压与结温的函数关系,可以仿真一阶调整效果和二阶修正曲线,该免费工具可以从网站www.maxim-ic.com/tools/calculators/hp50g下载,其可以运行在HP® 50g计算器上,或提供计算器仿真的PC上。

  解决上电复位问题

  图1所示电压基准能够正常工作,因为它有单独的启动电路,可以在两路带隙电流为零时打破平衡。不过,实践证明,它能够确保正常工作在室温,而在高温下可能出现失效,由此可见,启动电路在高温、漏电流变大时非常脆弱,设计者必须在使用弱启动电路(可能不启动)和强启动电路(可能影响正常操作)之间进行权衡。有关带隙启动的课题涉及到很多专利技术。

  本处需要解决的问题相对比较简单,假设负压漏电流处理不当,我们会对基准输出进行钳位。IC内部的ESD二极管为硅二极管(图3),它们会自然把负压钳位在0.6V至0.7V(也可能是两个二极管串联,钳位在1.2V)。可以在基准输出端增加一个小的肖特基二极管,正常工作时,二极管反偏,对电路没有影响,考虑到肖特基二极管会有泄漏。室温下,其正向压降约240mV,随着温度上升(同样电流条件),其正向导通电压下降,如图5所示。

  图5. 肖特基二极管典型特性

  由此,可基本解决热启动问题,需要测试时,可以找一个在特定温度下失效的电压基准,把电压基准的输出引到烘箱外面,如有射频干扰,可以采用一小段同轴电缆引出。20pF的电缆电容不会影响直流。测量失效电压基准的输出,请注意可能出现负压(有时IC内部会有两个串联的ESD二极管),假设是-1V。然后,连接一个硅二极管(如1N4747)把电压钳位在0.6V,重新查看基准是否启动,再用两个串联的肖特基管(室温下压降约0.52V),查看基准是否启动。只接入一个肖特基二极管(0.24V)时,查看基准是否启动。把肖特基管加热或放入烘箱中——基准是否启动?通过逐步试验启动门限,可以了解启动裕量。

  加上肖特基二极管可以减轻基准输出被拉至负压的程度,随着温度上升,肖特基二极管正向导通电压变小,减轻了这一问题。测试证明,增加肖特基二极管后,可以防止负压对电压基准的影响,使之可以在高温下启动。

  POR(上电复位)有几种方式确保正常工作。例如,Maxim的MAX6029电压基准基于带隙基准单元,该基准必须在正确的工作电压下才能稳定。正如我们在带隙基准部分所述,带隙基准会在两个工作点达到平衡并稳定:设计电流和零电流。确保器件启动并避免进入零电流状态是必不可少的条件,设计者要花大量时间就电压、温度和工艺等变化进行电路仿真。MAX5134是4路16位模/数转换器(DAC),其POR电路将器件初始化到已知状态,MAX5134可以复位到零或中间值。针对不同应用,这会是一个很重要的系统安全因素。对于受控马达,如果上电过程中随意变动,有可能对人身造成伤害。由于硬件POR电路独立于任何软件控制,必须在系统软件接管操作之前确保安全工作。另外,POR也应用在非易失数字电位器MAX5482中,光纤通信、电源等系统需要在最终产品测试中进行校准,MAX5428可以记住1024个位置或电压值之一,POR确保上电时自动读出校准值。

  结论

确保自启动在任何条件下正常工作将面临许多设计挑战,对于IC,POR可以保证系统进入确定的安全状态。有时,如果客户的应用场合超出了IC的工作范围,可以向IC制造商的工程师寻求帮助;但建议用户最好按照制造

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关键字:稳压器  带隙基准  上电复位

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0828/article_19015.html
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