隨著更高零件密度和更快處理器速度對更低核心電壓的需求攀升，多重電壓系統應運而生，這類型系統首先是邏輯與核心電路的雙電壓設計，並隨著現場可編程閘陣列(FPGA)、客製化特定應用積體電路(ASIC)及其他產品的發展，陸續加入了第三甚至是第四個不同電壓。為了滿足日趨複雜的產品開發，產業界發展的電壓監控產品持續為此類系統提供不可或缺的監測與控制功能，以下將介紹監控多重電壓系統的最新技術。
多重電壓透過電源監控進行電源啟動重置
在多重電壓系統中，產生電源啟動重置(POR)訊號的最簡單方法就是監測3.3伏特或5伏特邏輯電源，在電源啟動時，當邏輯電壓超過臨界值時，監控晶片會產生一個可以確保處理器正確啟動的重置時間，在正常運作下，只要處理器的電源電壓位於規格所指定的範圍內，監控晶片就會持續監測這個電壓，以觀察是否出現瞬間變化或電壓過低的情況。
但要如何保持以更低核心電源電壓運作元件的完整性呢？這些電壓通常由線性或交換式電源產生，因此要如何確保在重置時間結束前它們能夠達到符合規格要求的範圍，則若在多重電壓設計中只對單一電壓進行監測，可能就會面臨無法偵測電源不良元件而導致可能錯誤造成匯流排負擔，引發軟體不依規畫順序運作的問題，因此，高可靠度設計的良好基礎就須包含監測所有電源電壓的能力。
目前市面上提供的監控產品可監測二、三甚至四個電源電壓，不管是在出廠前設定臨界值，或者提供由工廠及透過電阻進行臨界值控制的組合，由工廠所設定的臨界值通常以低於所監測電壓50～100毫伏特的步階變化，因此必須依照目標設計的特定容忍需求來選擇監控元件，以提供需要的臨界值，以3.3伏特、3.08伏特、2.93伏特與2.63伏特的產品系列為例，就可由目標電壓及相對的後輟規則找出產品的編號。
由工廠所設定的監控元件通常為不需外部元件進行臨界值設定的單晶片產品，由於不需電阻分壓電路，也就代表可節省一個功率消耗的來源；另一方面，可藉由電阻進行臨界值設定的元件，則適合想要避免使用特定應用元件的工程師，只要公司對某一款監控元件通過認證，即可簡單透過一或兩顆電阻來改變它的臨界值，對於單電源電壓系統，亦可在關閉其他輸入後使用相同的多重電壓監控元件。
低電壓監控操作電壓僅1.8伏特
隨著邏輯位準由5.0伏特轉變為3.3伏特，再一路降到2.5伏特，甚至1.8伏特，帶動低達0.9伏特電壓監控產品的需求，此類監控元件須能以1.8伏特的電源運作，原因是較高的電壓並不保證會永遠存在。而對動作與未動作狀態間更小差異的要求則帶來須在低達1伏特，甚至更低電源電壓下，維持有效重置動作需求。
能不受電源電壓短暫時間電壓變化的影響，則是低電壓系統另一個相當重要的功能，許多元件的產品規格書都會包含一個瞬間變化區間大小相對於電壓過高情況的關係圖形，可幫助設計工程師透過檢視電源的雜訊特性，以避免意外的重置發生。
監控元件滿足系統高彈性/可靠度效能
目前市面上可直接取得的監控元件系列大多具有相當高的彈性，能滿足各種系統的需求，除了多重電壓的監測外，它們還提供可讓設計更加穩固，同時更不易受到軟硬體瞬間變化情況影響的各種功能，在選擇監控產品時，以下的考量相當重要。
重置時間可依處理器要求延長/減少
重置時間是當所有監測電壓高於重置臨界值後，重置輸出保持在低電位的時間延遲，常見的數值為最低140毫秒，因此，在所有受到監側的電壓高於臨界值後，重置接腳會維持在作動狀態最少140毫秒，重置動作可以讓軟體回到特定程式碼位址開始運行，進行經過安排的啟動程序。
重置也會發生在低電壓、手動重置或看門狗計時器出現溢位的情況，由於重置動作會讓程式碼回到初始狀態，因此可避免處理器執行可能因低電壓或軟體錯誤所影響的錯誤程式碼，若處理器的規格允許，也可拉長或縮短重置時間，目前市面上提供的產品重置時間可達1～1.2毫秒。
重置時間同時也可以讓電源電壓、石英振盪器及鎖相迴路(PLL)進入穩定狀態，石英振盪器與PLL對於重置時間的長短影響最大，例如不含PLL的20MHz之石英振盪器可以使用較短的時間，而鎖定到20MHz的帶PLL之32KHz石英振盪器則需要較長的時間。
推拉式/開汲極重置輸出為主流
雖然低電位作動推拉式重置輸出適用於絕大部分的應用，不過還是有其他輸出形式的產品可供選擇，對於以監控元件取代傳統8051產品電容阻值(RC)延遲電路的應用，監控元件可使用高邏輯電位作動推拉式輸出，或邏輯低電位作動開汲極輸出。
開汲極輸出基本上具有較高的彈性，其可使用簡單的Wire-OR方式連結，同時簡單形成適合不同系統電壓運作的介面，開汲極輸出讓重置輸出可由多重來源拉低而不會造成衝突，而這個彈性所帶來的代價則是必須加上外部提升電阻。
單電壓系統中的推拉式輸出相當直接，不過在多重電壓系統上則必須加以注意。以監測3.3伏特與5伏特電源的雙電壓監控元件為例，兩個內部電壓監測電路擁有一個推拉式重置輸出，可在接地與3.3伏特或5伏特間變化，在此情況下，選擇電壓變動範圍相容於處理器重置輸入的產品，或者使用雙重輸出的監控元件，一個提供3.3伏特；另一個則提供5伏特監測。同樣地，也可以選擇每個輸出變動大小符合相對監控電壓，或兩個輸出變動符合同一電源電壓的產品。
監控元件須具備抗降緣瞬間變化能力
不管是由線性穩壓器或交換式電源轉換器提供，高雜訊的數位環境會在電源電壓造成電壓快速變化，現在主要目標是避免正常運作時發生錯誤重置動作，並持續對電源電壓進行監測，圖1為典型元件產品規格書中的關係圖形，提供可能造成元件發生重置動作瞬間變化電壓量與時間長短組合的參考。
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| 圖1 MAX6381的典型瞬間變化時間相對於過度驅動的關係圖。 |
一個50毫秒、50毫伏特的電壓變化並不會造成元件重置，重置動作只會發生在更長時間的瞬間變化或更大的變化幅度下，因此，此圖形提供避免危險錯誤重置發生的參考，值得注意的是，具備更高瞬間變化抵抗能力的監控元件，可能搭配使用對於濾波要求較低的較低成本電源，只要處理器能容忍最後的電源電壓變化即可。
軟體正常運作為看門狗計時器任務
看門狗計時器可用來檢查軟體執行是否正常，若軟體陷在因錯誤軟體設計或硬體失效所造成的迴圈中，看門狗計時器將可對處理器進行重置動作並讓它重新啟動，要避免發生重置，軟體必須在計時器發生溢位前，對看門狗計時器輸入一個邊緣變化訊號來讓它歸零，採用邊緣變化而非低電位或高電位輸入方式，可避免因處理器輸出鎖死而造成計時器無法運作的可能，必須將計時器歸零的動作安排在軟體中，並確保會在計時器發生溢位前進行歸零動作。
實現看門狗計時器的最好方式是將計時器歸零，安排在能夠排除發生卡死迴圈的位置，一個相當好用的訣竅是將低到高變化安排在一個副程式，並將高到低變化安排在下一個副程式中，若軟體運行卡死在其中一個副程式中，就會發生重置動作；在單一副程式中安排低到高到低的脈波並不一定會產生重置動作，因此軟體依舊可能會陷入在卡死狀態。
為了滿足需要更長電源啟動與穩定時間處理器的需求，部分監控元件產品會提供較長的起始看門狗計時時間，較長的起始時間可讓處理器在執行接下來較短與較嚴格看門狗計時器時間之前，在啟動與組態設定時有更餘裕的時間。
手動重置提供處理器重置功能
手動重置提供給使用者和功能測試設備一個簡單進行處理器重置的途徑，部分監控元件產品提供有內建提升電阻的邏輯低電位啟動輸入，可免除外加電阻的需求，並帶來簡單的開關介面。另一個與手動重置輸入相關的規格為雜訊脈衝的抑制，要避免錯誤或意外的重置動作，輸入必須能夠抵抗短時間雜訊脈衝的干擾，這類雜訊脈衝抑制電路不僅能夠避免意外的重置發生，同時也可節省外部開關去彈跳電路的需求。
手動重置通常會觸發一段重置時間，不過為了要節省測試時間，重置時間不應該太長，業界多重電壓系統監控電路產品以大約標準重置時間的八分之一來解決這個問題，目前開發的產品手動重置脈衝最小為140毫秒，重置時間則為1.12秒。
過電壓與負電壓監控元件適用醫療/安全相關應用
除了以位準方式控制的手動重置輸入外，部分應用可能需要位準邊緣變化輸入，此可確保處理器以固定時間而非手動重置出入作動時間進行重置，該功能對於節省產品組裝與測試時間相當有用。
對於可以執行自我測試的醫療或安全性相關設備，市場也提供能偵測過電壓及電壓過低情況功能的監控元件產品，這些元件擁有可透過電阻控制，在所監測電壓超出臨界值時強制進行重置動作的輸入，和電壓過低情況類似，過高的電壓可能會造成韌體或是硬體不可預期的結果，強迫處理器進入重置狀態可排除可能發生的危害情況。
類比輸出失效的發生情況可能有幾種，但是簡單的負電壓監測可確認電源電壓存在並位於規格所規定的範圍內，舉例來說，-5伏特或-15伏特的類比模組通常會提供沒有具備電源電壓回授以便確認的類比輸出，幸運的是，過電壓監測電路也可用來監測負電壓，和電壓過高的情況一樣，電源可透過電壓與電源Vcc間的外接電阻分壓電路進行感測(圖2)。
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| 圖2 採用MAX6347的負電壓監測。 |
電源啟動順序控制確保電源啟動穩定
為了避免鎖死情況發生，並將電源啟動時的可靠度提升至最高，多重電壓系統通常須要進行輸出入電壓(VI/O)到核心電壓(Vcore)，或核心電壓到輸出入電壓的順序控制與跟蹤。跟蹤通常代表輸出入與核心電壓必須一起上升，同時核心電壓也不能超過輸出入電壓0.30伏特；順序控制則通常代表輸出入電壓必須在核心電壓之前上升，系統可能也會指定輸出入與核心電壓上升兩者之間的延遲時間。
有一種型態的雙電壓系統，如輸出入為3.3伏特、核心為2.5伏特所使用的順序控制器採用監測3.3伏特的單電壓監控器元件，當電壓高於臨界值時，監控器會進行延遲動作，接著導通外部的P通道金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)(圖3)，此作法可節省低電流應用的成本，但對於較大的電流，具備低閘源極電壓(Vgs)臨界值的低導通電阻(RDS(ON))P通道FET，其成本可能較高。
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| 圖3 採用MAX6347的電源順序控制。 |
對於更高電流的應用，採用充電泵架構的專用型電源順序控制器可能會更有效率，以先前的例子來說，此電路可以監測電源電壓並觸發外部FET來提供第二個電源，不過這個元件可以搭配使用成本比P通道元件低的N通道FET，內部充電泵電路則提供5伏特的閘源極電壓，可用來控制提供第二個電源電壓的N通道FET，N通道FET不僅成本較低，導通電阻更明顯低上許多。
舉例來說，產業界所開發不須外加充電泵電容的SOT-23包裝電源順序控制器，其涵蓋採用200毫秒固定時間延遲，以及可控制延遲時間類型，並透過外部電容依下列方程式來進行延遲時間的設定：
tDELAY(sec) = 2.484×10-6(Cset)
這些晶片同時也可用來進行超過兩個電源電壓應用的直接順序控制，要控制所有電源的順序，只須對每一個多出來的電源電壓加上一個順序控制器(圖4)。
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| 圖4 增加額外電源電壓的順序控制。 |
電源失效比較器可提出電源失效/低電池電壓警告
若系統必須提供電源失效或低電池電壓的預先警告，可選擇內含邏輯電位重置電路與電源失效比較器的監控元件產品，目前產業界開發的產品，重置臨界電壓可由工廠在出廠前調整，並透過外部電阻分壓電路設定電源失效或低電池電壓偵測的臨界點，由於臨界值為1.25伏特，可監測高於或低於Vcc電源的電壓，最低臨界值為1.25伏特，若需要更多的電源電壓，建議選擇開汲極輸出的元件，以便使用第二個監控元件來對其他核心電壓進行監測。
系統所有電源電壓的監測相當重要，可藉回授或連接到處理器重置輸入接腳的監控元件進行，回授可為測量系統電壓的類比數位轉換器，或監視設備功能的軟體常式，能確保電路板電源正常啟動。
電壓偵測不可或缺
另一個達成相同結果的簡單方法是採用電壓偵測器，電壓偵測器可比監控元件提供更多的資訊，因其能夠指出哪個電源電壓發生問題，監控元件通常會把所有的電壓以OR方式連接來產生單一重置輸出，而多重電壓偵測器通常提供可獨立檢視，以決定問題來源的開汲極輸出。現今市場已出現能夠提供獨立開汲極輸出的四電壓監測元件，這類元件包含可由電阻以及由工廠設定的臨界值，以符合1.8伏特、2.5伏特、3.3伏特、5伏特或-5.0伏特的常見電源電壓需求，內建精確的參考電壓及分壓電路更使得這類產品的設計變得相當精簡。
多重電源電壓的組合、更小的晶片面積及日益重要的產品可靠度規格帶來電源電壓完整監控與監測的需求，因此本文介紹針對此需求所推出的產品，以及高可靠度系統設計的各項重要產品功能，提供業界參考。
(本文作者任職於Maxim)
