如何实现电压监控的四种方法

为什么监控电压很重要？我们知道监控电压轨可以帮助我们防止掉电、检测过压事件、测量电池电量并帮助我们实施整体诊断策略。本文将介绍如何实施电压监控。有四种关键方法：

1.电阻分压器

这也许是最简单的电压监测方法。将电压除以特定因子可用作防止欠压运行的一种方法（参见图 1）。

图 1：使用电阻分压器禁用稳压器

此方法取决于受监控集成电路 (IC) 的启用特性。如果 IC 的启用电压范围很宽，则不清楚我们的电阻器应该是什么电阻值。表 1 代表一个示例。当使能引脚上施加的电压介于 0.4V 和 0.9V 之间时，稳压器将禁用。在如此宽的范围内，我们必须将阈值电压设计为 0.4V 以保证禁用。

表 1：LDO 的电压使能特性

一些设备，如LM1771，包含“精确启用”。精密启用缩小了启用和禁用电压范围，如图 2 所示。这消除了前面示例中的大部分灰色区域，并使电阻分压器的阈值电压更加精确。

图 2：精密电压使能特性

但是，使用电阻分压器有一些缺点。除了使能电压范围不准确之外，电阻分压器不提供迟滞功能。结果，在阈值电压附近振荡的分压以不希望的方式启用和禁用IC。

电阻值对于电流消耗很重要。电阻值的大小必须足够小，以允许适当的电流量来驱动使能。这种情况禁止将电阻器调整为足够大的值，而泄漏可以忽略不计。此外，泄漏是恒定的，这对于电池供电的系统来说可能是一个问题。

的优点和缺点

· 优点：成本低，简单。

· 缺点：没有滞后，可能不准确，持续泄漏。

· 底线：这种技术是电压监测的基本方法。它效率低，可能不准确，但完成了欠压保护的基本任务。

2.比较器和参考电压

图 3 所示电路提供与简单复位 IC 相同的基本功能。（详细信息在 TI Design 参考设计TIDP144中进行了简明扼要的表述。）与复位 IC 一样，它可以准确地监控电压并在超过某个阈值时标记输出。与复位 IC 不同，它需要外部参考和电阻器。外部组件会影响阈值电压和迟滞，因为它们的容差必须考虑到操作中。（与单片集成这些组件的复位 IC 不同，分立式解决方案无法通过修整来获得更高的精度。）

图 3：将比较器与参考电压相结合以检测电压

此外，各种外部组件将增加整体解决方案的尺寸是理所当然的。

的优点和缺点

· 优点：设计简单，包括滞后。

· 缺点：更大的解决方案尺寸，可能不准确，需要外部电压基准，恒定泄漏，需要电阻。

· 底线：如果空间或精度不是问题，这是复位 IC 的替代品。考虑到外部元件的数量，成本可能高于复位 IC。

3. 板载模数转换器（ADC）

许多处理器都配备了专用于电压监控的 ADC。这似乎是一个直观的选择，尤其是当频道可用时。一个输入/输出 (I/O) 可以监控电压轨，另一个 I/O 可以标记复位。这种方法很有吸引力，因为电压监测实际上是“免费的”。

但是，有两个缺点。首先，电流消耗要高得多。ADC 在活动时通常消耗约 100µA。这很容易使复位 IC 的电流消耗减少 100 倍以上。其次，这种方法除了 ADC 通道外，还需要使用一个或两个 I/O。当 I/O 或 ADC 通道供不应求时，这可能会出现问题。

的优点和缺点

· 优点： “免费”电压监测器，准确。

· 缺点：需要 ADC，效率较低，占用 I/O。

· 底线：如果我们不使用 ADC 通道并且功耗不是问题，则可以选择这种类型的电压监控。但是，它确实用尽了通用 I/O (GPIO)。

4.复位IC

这种单片解决方案在功耗、尺寸和精度方面优化了电压监控。它检测欠压事件并相应地触发一个标志。TI 的最低功耗 12V 监控器 TPS3847等复位 IC仅消耗 380nA 的电源电流，如图 4 所示。复位 IC 的小尺寸也是有益的。TPS3839电压监视器采用微型 1mm x 1mm 小外形无引线 (SON) 封装。为了检测有效的欠压事件，复位 IC 需要高阈值精度。某些器件（如TPS3701）在整个温度范围内的准确度为 0.75%。

图 4：TPS3847 监控 12V 电源轨是否发生欠压事件

复位 IC 有时包含其他功能，例如过压检测、看门狗定时器和备用电池切换。

的优点和缺点

· 优点：体积小、功耗低、简单、准确、价格实惠。

· 缺点：额外的芯片与板载 ADC。

· 底线：此方法是最简单的电压监控解决方案。它针对低功耗和高精度进行了最优化。

我希望这对在我们的应用程序、现场可编程门阵列 (FPGA)、数字信号处理器 (DSP) 和处理器上实施电压监控的四种方法具有建设性的洞察力。