一種新型嵌入式系統電源監控模塊設計

1 引言
??? 嵌入式系統對供電電源要求比較嚴格．通常都需采用獨立的穩壓器件供電。在嵌入式系統硬件設計中，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壓器件為系統提供正常的供電，并提供一個發光二極管檢測直流電壓的有無，并未過多的考慮系統工作時電源模塊輸出電壓是否準確以及能否讓各種器件正常運行。針對這一現象，這里給出一種應用于某嵌入式系統的電源監控模塊的設計方案以及具體的硬件實現。

2 系統整體設計思想
??? 嵌入式系統中供電電壓過高會損壞器件，而過低集成電路則導致系統無法正常工作。因此電源監控模塊設計需遵循以下原則：
??? (1)保護原則電壓過高，必然會燒壞器件；有時，電壓過低，由于系統設計的復雜性，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，電源監控模塊不僅需要實現過壓保護，還需要實現欠壓保護。
??? (2)預警原則在系統工作前，需要對供電電壓進行預檢測，判斷電壓是否符合設定值，并能給出正確的判斷指示。同時，在系統工作時，也應該能夠實時的對工作電壓進行檢測判斷，同步指示系統供電是否正常。
??? 在某無線通信設備便攜式檢測平臺系統中，采用ARM與FPGA相結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，電源監控模塊應能提供兩種主要功能：在系統啟動前能夠對電源供電模塊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；對系統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 電源監控器件
??? 該系統設計的電源模塊采用新型電壓監測器件ADM1184。該器件能夠精確監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用裝置中，使得系統更安全、更具可靠性，從而達到最優的性能。同構型的多重電壓監測器與序列發生器通常只能達到大于±1．5％的精確度位準，要監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，用來監測獨立的電壓通道。該電壓監測器件可以在2．7～5．5 V的供電電源范圍中工作，且具有4組能夠加以編程設置的輸入，以監測外部不同電壓位準。
3．2 穩壓器件
??? 考慮到系統各模塊所需+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壓器，產生+5 V電壓的器件，這里選用LM2676,如圖1所示。

??? LM2676是一種開關型集成穩壓器，可提供一個驅動能力達3 A，可逐級下降的開關穩壓器的所有功能，具有良好的線性和負載調節特性：使用一只低導通電阻的DMOS電源開關獲得高輸出效率；固定輸出3．3 V，5 V和12 V電壓，或調節輸出。
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LM2676系列器件內置熱擊穿保護電路、限流電路和開關控制輸入，可將供電降低至50μA靜態電流的休眠狀態。該器件具有150 mΩ的DMOS輸出開關電阻，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。該系統中，主電源為5 V電源，從5 V到3．3 V、2．5 V的轉換一般使用LDO(低壓線性穩壓器件)。在此選用MIC29302器件，這是一種高精度，低漏電穩壓器件，其輸出電流達800mA，可滿足系統電源要求，其主要電路如圖2所示。

3．3 模塊工作原理
??? 圖3為ADM1184監視4個電源通道的一個應用。在該應用中，ADM1184依次開啟3個穩壓器，當所有的電源供電穩定后產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監視3．3 V主電源。OUT1連接到第1個穩壓器的使能端，在VIN1腳電壓到達0．6 V之前，該引腳接地，使得穩壓器件不工作。當系統的主電壓達到2．9 V時，VIN1引腳檢測到0．6 V。使得OUT1引腳電平置高，驅動穩壓器件1的使能腳變高，器件正常輸出。該穩壓器輸出的2．5 V電壓被VIN2腳檢測到，當該電壓超過管腳設定的門限電平后，OUT2引腳電平置高，驅動穩壓器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)進行監控。當所有監控的電壓都超過預定的門限電平后，PWRGD信號在經過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的基準電壓，最大精度誤差為0．8％。設計中，可通過連接到VIN1，VIN2，VIN3和VIN4引腳的電阻網絡設置被監控通道的切換點。4個比較器監視4個電壓通道。4個可調輸入端(VIN1，VIN2，VIN3，VIN)的閾值電平為0．6 V。當需監控一個高于0．6 V的電壓信號時，可采用如圖4所示的電阻分壓網絡。圖4中，VIN1引腳監測一個+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主電壓在上電到達預定電平(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 結束語
??? 該電源監控模塊設計是建立在某無線通信綜合檢測平臺設計應用基礎上的一種方案。該方案在對電壓信號的監控上采用新型監控器件，最終測試后達到預定監控和保護要求。該方案可為嵌入式系統的電源監控設計提供一定參考。