Детекторы напряжения и супервизоры питания азиатских производителей: особенности и выбор

31 октября

Николай Вашкалюк (КОМПЭЛ)

На сегодняшний день огромное количество азиатских производителей выпускает детекторы напряжения и супервизоры питания — от самых простых серий 803, 809 и 706 до многоканальных микросхем с расширенным функционалом. Они могут стать отличной качественной альтернативой западным мониторам напряжений и послужить базой для новых разработок.

Детекторы напряжения (Voltage Detector) и cупервизоры питания (Voltage Supervisor), которые иногда называются микросхемами сброса (Reset IC), используются для мониторинга напряжения, подаваемого на схему или ее отдельный участок, а также для контроля напряжения батареи. Оба вида микросхем решают схожие задачи: обнаруживают пониженное или повышенное напряжение в цепи и формируют логический импульс на выходе. Данный сигнал может быть использован для включения или отключения другой схемы (например, для сиквенса питания – Power Sequencе), сброса микроконтроллера (МК) либо для индикации неисправности.

В простейшем случае детектор напряжения состоит из компаратора (рисунок 1), на вход которого с одной стороны подается опорное напряжение (VREF), а с другой через делитель прикладывается напряжение с вывода VDD. Как только напряжение VDD опускается ниже заданного порога, компаратор активируется и подает напряжение на затвор N-канального MOSFET, тем самым открывая его. Такой тип выхода называется «открытый сток» (в зарубежной литературе обозначается как NMOS или Open-Drain) и требует внешнего резистора подтяжки к питанию. Помимо NMOS, существует и двухактный выход – CMOS (Complementary MOS), или Push-Pull (рисунок 2).

Рис. 1. Упрощенная схема детектора напряжения

Если в схему детектора напряжения, представленную на рисунке 1, добавить блок задержки, то получится супервизор питания или микросхема сброса (рисунок 2). В этом и заключается их основное различие: задержка сброса у детектора напряжения составляет десятки…сотни микросекунд и обусловлена конечной скоростью реакции схемотехники с присущей ей задержкой распространения (propagation delay), а у супервизора время таймаута может составлять десятки…сотки миллисекунд и даже единицы секунд. Таймаут формируется специальной схемой и необходим для предотвращения ложного срабатывания.

Рис. 2. Упрощенные схемы супервизора питания с выходом NMOS (а) и CMOS (б)

Если при срабатывании детектора или супервизора выходной сигнал переходит из низкого уровня в высокий, то такой тип схемы называется Active High («активный высокий уровень»). И напротив, если при срабатывании внутреннего компаратора выходной сигнал переходит из высокого уровня в низкий, то это – схема Active Low («активный низкий уровень»). Очевидно, что все изделия с выходом NMOS при срабатывании имеют активный низкий уровень, а вот у микросхем с двухтактным выходом чаще встречаются схемы с активным высоким уровнем на выходе.

Напряжение питания супервизоров обычно не превышает 5,5 В, в то время как детекторы напряжения могут иметь значительно более широкий диапазон питания: нередко встречаются модели с верхней границей до 15…30 В и более. Если устройство работает с шинами выше 7 В, но при этом требуется функция супервизора питания, то достаточно использовать детектор напряжения с внешней схемой задержки. Пример такого решения показан на рисунке 3. Время задержки определяется номиналами подтягивающего резистора и конденсатора Cd.

Рис. 3. Детектор напряжения с внешней линией задержки

Детекторы напряжения производятся несколькими азиатскими компаниями (таблица 1). Часть из них выпускает компоненты и с напряжением питания более 7 В. 

Таблица 1. Номенклатура детекторов напряжения производства азиатских компаний

На рисунке 4 показан детектор напряжения BL8506, выпускаемый компанией Belling, имеющий ультрамалое потребление – всего 500 нА, а его максимальное рабочее напряжение достигает 10 В. Напряжение срабатывания фиксированное и может составлять 0,9…6,0 В с шагом 0,1 В, в зависимости от модели. Доступны исполнения в корпусах SOT23, SOT23-3, SOT23-5, SC-82, SOT89-3 и TO-92. Благодаря малому потреблению BL8506 отлично подойдет для мониторинга питания в портативном оборудовании и в системах резервного питания.

Рис. 4. Схема включения детектора напряжения BL8506

Остановимся подробней на супервизорах питания (далее по тексту для удобства будем обозначать их просто «супервизоры»). В самом простейшем случае данный компонент имеет три вывода (рисунок 5), таких как:

• питание (VCC);
• земля (GND);
• выход сброса (RESET).

Основными критериями для выбора подобных микросхемы являются:

• пороговое напряжение;
• время задержки сброса, или таймаут;
• тип выхода (NMOS или CMOS);
• логический уровень при срабатывании (низкий или высокий);
• ток собственного потребления.

Рис. 5. Схема простейшего супервизора питания

Большую популярность на рынке микроэлектроники завоевали 3-выводные супервизоры серий 803, 809, 810 и их прямые аналоги (у каждого производителя наименования могут различаться). Их производит большое количество азиатских компаний, таких как Runic, 3PEAK, UMW, JSCJ, Belling, Chipown, UTC, Microne, SGMicro, Richtek и многие другие. Самый популярный корпус для 3-выводных супервизоров – классический SOT23. Различия между популярными сериями на примере продукции Runic показаны в таблице 3.

Таблица 3. Сравнение популярных серий супервизоров от Runic

Дальнейшим развитием схемотехники простейших супервизоров стало добавление четвертого вывода, который был задействован либо для сигнала ручного сброса (Manual Reset, MR), либо для регулировки времени таймаута сброса, осуществляемого подключением внешнего времязадающего конденсатора. В этом случае популярные корпуса — это SC70-4 и SOT143 (рисунок 6).

Рис. 6. Корпус SOT143

Вывод ручного сброса MR (рисунок 7) может использоваться пользователем или внешним устройством для генерации сброса. Обычно к нему подключается кнопка, которая позволяет перезапускать процессор без отключения основного питания. Дополнительные компоненты не требуются, поскольку такой супервизор уже включает в себя фильтр для устранения дребезга контакта. Различия между сериями на примере продукции 3PEAK показаны в таблице 4.

Рис. 7. Супервизор RS811 производства компании Runic с выводом ручного сброса (MR)

Также с помощью вывода MR микросхему можно настроить как программируемое кнопочное устройство, таким образом, выход будет реагировать только после нажатия или отпускания кнопки в течение определенного периода времени. С несколькими супервизорами можно создавать программируемые импульсные детекторы и генераторы импульсов.

Таблица 4. Супервизоры производства компании 3PEAK с выводом ручного сброса

Следующая группа микросхем сброса представляет собой супервизоры с функцией сторожевого таймера (Watchdog Timer), который сбрасывает МК (ЦП, ПЛИС и так далее), если тот неактивен в течение определенного времени. Принцип работы этих устройств заключается в том, что на входе сторожевого таймера, который обычно обозначается как WDI (Watchdog Input), периодически появляются импульсы с МК. Если в пределах временного окна таймера не поступает очередной импульс, то формируется сигнал сброса. Время работы таймера может быть как фиксированным, так и регулируемым с помощью внешнего конденсатора.

На рисунке 8 показан пример супервизора со схемой сторожевого таймера и малым потреблением – всего 640 нА. Микросхема имеет два двухтактных выхода сброса с активным низким и высоким уровнями. Сброс осуществляется при появлении одного из событий: срабатывания компаратора напряжения или отсутствия контрольного сигнала сторожевого таймера (вывод WDI) в течении более чем 1,6 с. Длительность сигнала сброса составляет 200 мс.

Рис. 8. Супервизор с функцией сторожевого таймера SGM824A производства компании SGMicro

На рисунке 9 показан еще один пример супервизора, имеющего и сторожевой таймер, и вход ручного сброса. Эта конфигурация является более распространенной, и обычно данные компоненты выпускаются в популярном 5-выводном корпусе SOT23-5.

Рис. 9. Микросхема сброса RS806 производства компании Runic

Для более сложных задач есть супервизоры, которые могут выполнять одновременно несколько функций и позволяют реализовать контроль по нескольким входным параметрам. Самое популярное решение – серия 706 (рисунок 10), которая является своего рода промышленным стандартом и встречается в портфолио многих производителей: 3PEAK, Runic, UTC, SGMicro и других. При этом наименования у разных компаний могут различаться, хотя все они, как правило, Pin-to-Pin-совместимы и чаще всего выпускаются в корпусе SO8.

Помимо упомянутых выше функций, таких как сторожевой таймер и вход ручного сброса, микросхемы 706 имеют вход раннего обнаружения (вывод Power-Fail Input – PFI), который, например, может сообщить микроконтроллеру, что напряжение шины или батареи подходит к критической отметке, и необходимо сохранить данные перед выключением. А с помощью выхода WDO (Watchdog Output) по сигналу от сторожевого таймера можно вызвать прерывание МК, если задействовать соответствующий вывод.

Рис. 10. Супервизор SGM706 производства компании SGMicro

Азиатские производители детекторов напряжения и супервизоров питания предлагают большой выбор доступных альтернатив западной продукции: от самых простых серий 803, 809 и 706 до многоканальных изделий с расширенным функционалом. В большинстве случаев микросхемы, выполняющие схожие функции, полностью Pin-to-Pin-совместимы, что позволяет их легко интегрировать в существующие проекты, при этом получая значительно более доступное решение без ущерба качеству и надежности.