Супервизор питания что это

7

Супервизоры питания

Cамым эффективным и дешевым способом контроля над напряжением питания при разработке микропроцессорных систем является использование внешней микросхемы супервизора питания. Она позволяет не только поддерживать контроллер в состоянии сброса перед его пуском (функция POR — power on reset), но и контролировать уровень и стабильность питания во время выполнения программы (функция BOR — brown out reset), выполнять функции сторожевого таймера (WDT), а также реализовывать другие сервисные функции, такие, как внешний сброс. Компания Microchip Technology Inc., ведущий мировой производитель 8-ми и 16-битных контроллеров, предлагает широкий диапазон супервизоров и детекторов напряжения.

Зачем нужен супервизор?

Супервизоры питания микроконтроллеров используются в различных приложениях, но две основные задачи, которые они позволяют решать — следующие:

1. Удержание контроллера в состоянии сброса до тех пор, пока напряжение питания не достигнет заданного значения и не стабилизируется (POR).

2. Сброс контроллера при снижении напряжения питания ниже критического уровня или при внезапном провале напряжения (BOR).

Несмотря на то, что большинство современных микроконтроллеров уже имеют в своем составе встроенные модули POR и BOR, применение внешних супервизоров оправданно по следующим соображениям:

1. Ограниченное число контрольных точек для сброса микроконтроллера при использовании внутренних функций, по сравнению с супервизором.

2. Ток потребления внешнего супервизора в сотни раз меньше по сравнению с потреблением при подключении внутренней функции BOR и POR, что связано в первую очередь с технологией производства микроконтроллеров и аналоговых микросхем.

Таблица 1. Характеристики сброса

В таблице 1 приводится сравнение двух контроллеров PIC производства Microchip Technology Inc. и супервизоров MCP121 и MCP111 по количеству пороговых значений напряжения и току потребления, подтверждающее эти положения:

Помимо описанных функций, супервизоры могут использоваться в качестве сторожевого таймера (WDT) для контроля выполнения времени программы, а также для организации так называемого «оконного» режима. В последнем случае используется два супервизора: один непосредственно для сброса контроллера, а второй — для выявления факта снижения напряжения, чтобы иметь возможность корректно сохранить данные в промежуток времени перед перезагрузкой процессора.

Далее рассмотрены примеры реализации всех указанных функций.

Функция POR

В спецификации на большинство микроконтроллеров указываются параметры, характеризующие, в частности, режим нарастания питания. Неравномерность в нарастании напряжения, несоответствие реальной скорости нарастания и скорости, указанной в спецификации на контроллер, может привести к сбоям в работе контроллера или некорректному запуску.

Как уже упоминалось выше, супервизоры питания позволяют решить подобные проблемы путем удержания микроконтроллера в состоянии сброса до тех пор, пока напряжение питания не достигнет заданного уровня и не стабилизируется. Как только питание стабилизируется, контроллер запускается и начинает выполнение своей программы (рис. 1).

Рис. 1. Удержание контроллера в состоянии «Сброс» при нарастании напряжения питания

Обычно период сброса для различных супервизоров варьируется в диапазоне от 150 до 500 мс. Детекторы напряжения, позволяющие контролировать уровень напряжения питания, отличаются от супервизоров отсутствием задержки импульса сброса.

Функция BOR

Под понятием «Brown out» или потерей напряжения питания (рис. 2) подразумевают различные случаи колебания, «провисания» или превышения напряжением безопасного порогового уровня.

Рис. 2. Сброс контроллера при снижении напряжения питания ниже заданного уровня

Такие колебания, вызванные различными причинами, могут привести к некорректной работе контроллера, сохранению неверных данных в памяти и, как следствие, неправильному функционированию системы в целом.

К сожалению, не всегда на этапе проектирования и разработки системы предусматриваются подобные случаи потери напряжения, и проблемы обнаруживаются уже потом, когда изделие уже готово и запущенно в массовое производство.

Постепенное снижение напряжения

Помимо колебаний и резких провалов напряжения, типичным является постепенное медленное снижение питания (рис. 3). Речь в первую очередь идет о батарейных приложениях, где такая ситуация возможна при разряде батареи.

Рис. 3. Постепенное снижение напряжения питания

Подобные ситуации могут, в частности, приводить к тому, что собьется счетчик команд, и программа начнет работать неправильно.

Если в системе используется внешняя энергонезависимая память EEPROM, которая работает при напряжениях питания от 1,2 В, то возможна ситуация, когда микроконтроллер будет работать неправильно и запишет случайные данные в EEPROM, что может быть обнаружено (или нет) при последующей перезагрузке.

Как подобрать супервизор?

Для реализации функций POR/BOD необходимо обратить внимание на следующие основные факторы:

1. Напряжение сброса (большинство супервизоров имеют ряд фиксированных напряжений срабатывания для поддержки 5 В и 3 В систем);

2. Тип выхода (с открытым стоком, с внутренним подтягивающим резистором или комплементарный);

3. Полярность импульса сброса (низкий/высокий уровень).

В таблице 2 приводятся типичные номиналы напряжений на сброс. Выбор номинала напряжения определяется в первую очередь напряжением питания контроллера и диапазоном напряжения питания элементов всей цепи.

Таблица 2. Типичные номиналы напряжений на сброс супервизоров

К примеру, для контроллера с питанием 5 В ±10%, работающем в диапазоне 4,5…5,5 В, выбор супервизора с минимальной и максимальной точками сброса 4,5 В и 4,75 В соответственно гарантирует сброс микроконтроллера до достижения нижнего порога работы процессора.

Выбор полярности импульса сброса супервизора определяется активным уровнем на входе сброса контроллера. К примеру, у супервизоров MCP100/120/130 активный уровень сброса низкий, а у MCP101 — высокий.

Помимо перечисленных свойств, супервизоры характеризуются такими параметрами как:

• величина задержки импульса сброса (у детекторов напряжения задержки нет);
• ток потребления;
• наличие входа сторожевого таймера;
• наличие входа для подключения внешнего сброса (MR).

Ниже идет описание отличительных особенностей супервизоров и детекторов напряжения компании Microchip Technology Inc.

Микропотребление

Mircochip Technology Inc. производит ряд супервизоров питания, рекомендуемых для применения в портативных и батарейных приложениях (см. табл. 3). Их отличительной особенностью является сверхнизкий ток потребления — единицы и доли микроампер.

Таблица 3. Микропотребляющие супервизоры

Это дает возможность интегрировать супервизоры Microchip в системы, критичные к току потребления, экономя мощность с одной стороны, и повышая надежность системы — с другой.

Супервизоры со входом сторожевого таймера

Microchip производит супервизоры с функцией сторожевого таймера WDT (рис. 4), позволяющие контролировать, помимо напряжения питания, время выполнения программы микроконтроллера (см. табл. 4).

Рис. 4. Использование супервизора в качестве сторожевого таймера

Таблица 4. Супервизоры Microchip со встроенной функцией WDT

Если заданное гарантированное время выполнения программы оказывается больше программируемого тайм-аута сторожевого таймера (Twd), на выходе супервизора /RST устанавливается низкий уровень, и микроконтроллер сбрасывается.

Супервизоры со входом для подключения кнопки сброса

В некоторых портативных приложениях требуется иметь кнопку ручного сброса. Microchip предлагает ряд супервизоров со входом для непосредственного подключения кнопки сброса микроконтроллера (/MR) без дополнительного проектирования внешних цепей (рис. 5). Время Trst, указываемое в документации на супервизоры, определяет продолжительность импульса сброса микроконтроллера.

Рис. 5. Ручной сброс микроконтроллера с использованием супервизора

Супервизоры со входом для подключения кнопки сброса отмечены в таблице 4 аббревиатурой MR в колонке «Дополнительные особенности».

Использование супервизоров для организации «оконного» режима

В некоторых случаях перед сбросом контроллера при снижении напряжения питания необходимо предварительно корректно сохранить все промежуточные данные и программный контекст. Для того, чтобы за время снижения напряжения питания с уровня V1 до критического уровня сброса V2 контроллер успел соответствующим образом обработать это событие и сохранить необходимые данные в энергонезависимой EEPROM- или Flash-памяти, в системе ставят два супервизора. Один — для выявления факта снижения напряжения и индикации контроллеру, а второй — непосредственно для сброса контроллера при достижении критического уровня значения напряжения питания (рис. 6). Такой прием позволяет повысить надежность системы за счет контроля над напряжением питания микроконтроллера, а также за счет своевременного оповещения о снижении напряжения до критического уровня.

Рис. 6. Использование супервизоров для организации «оконного» режима контроля над напряжением

Детекторы напряжения

Детекторы напряжения, как уже упоминалось выше, отличаются от супервизоров отсутствием задержки на выходе сброса RST.

Microchip производит ряд детекторов в миниатюрных корпусах 3/SOT-23, 3/SOT-89, 3/TO-92, отличающихся сверхнизким собственным потреблениемпотреблением (см. табл.5).

Таблица 5. Детекторы напряжения Microchip

Заключение

Отметим, что основными параметрами супервизоров, на которые следует обратить внимание при его выборе, являются:

1) пороговое напряжение;
2) тип выхода;
3) полярность напряжения сброса;
4) величина импульса сброса;
5) собственное потребление;
6) температурный диапазон.

Компания Microchip Technology Inc. производит микропотребляющие недорогие супервизоры в миниатюрных корпусах, с различными номиналами напряжений на сброс, типами выхода и величиной импульса сброс.

Информация об аналоговой и интерфейсной продукции Microchip, в том числе детекторам и супервизорам напряжения: последние версии документации, примеры применения, программное обеспечение для разработки и отладки, необходимая техническая литература — всегда доступна на сайте Microchip Technology Inc. по прямой ссылке: www.miсrochip.com/analog.

По вопросам получения технической информации,
заказа образцов и поставки обращайтесь в компанию КОМПЭЛ.
E-mail: analog.vesti@compel.ru

Новые приборы Microchip для интеллектуальных датчиков

Компания Microchip Technology Inc. анонсировала выпуск семейства цифровых контроллеров сигналов (Digital Signal Controller, DSC), получившего обозначение dsPIC33FJ12GP. Новинки особенно хорошо подходят для применения в умных датчиках, поскольку они, во-первых, являются самыми маленькими DSC в мире, во-вторых, имеют низкое энергопотребление, и, в-третьих, недороги.

Разработчики встраиваемых систем часто вынуждены разносить датчики и процессоры, поскольку габариты компонентов не позволяют расположить все необходимое в одном месте без увеличения размеров датчиков или перекомпоновки изделия. Это, в свою очередь, может отрицательно повлиять на производительность и помехозащищенность системы. В случае dsPIC33FJ12GP разработчики получают возможность разместить сигнальный процессор вплотную к датчику, устранив источник помех и разгрузив центральный процессор. Так выглядит концепция Smart Sensor.

Размеры 18- и 28-контактных корпусов, выбранных для приборов семейства, — всего лишь 6 x 6 мм. В то же время производительность на уровне 40 MIPS открывает перед dsPIC33FJ12GP широкое поле применений.

В состав dsPIC33FJ12GP входят встроенные аналогово-цифровые преобразователи (до 10 каналов, разрядность — 10 или 12 бит), способные выполнять до 1,1 миллиона преобразований в секунду и позволяющие задействовать избыточную дискретизацию для улучшения отношения сигнал/шум. Возможности dsPIC33FJ12GP позволяют также выполнить цифровую фильтрацию — более эффективную и не требующую внешних компонентов, в отличие от аналоговых фильтров. Контроллеры оснащены 12 Кб флэш-памяти, 1 Кб оперативной памяти, интерфейсными блоками UART, SPI и I 2 C. При решении некоторых задач приборы dsPIC33FJ12GP могут играть роль единственного процессора в системе.

зачем нужен супервизор в блоке питания

Супервизоры напряжений для системных источников питания семейства WT751x

В схемотехнике современных системных источников питания, практически, обязательным становится такой элемент, как супервизор напряжений. Супервизор напряжений в большинстве случаев представляет собой отдельную микросхему, функцией которой является контроль выходных напряжений блока питания и генерация сигнала PowerGood . Кроме того, супервизор напряжений является тем элементом, который обеспечивает запуск и выключение блока питания. На сегодняшний день мировая электронная промышленность предлагает множество различных супервизоров напряжения, но одними из самых популярных при разработке блоков питания являются, несомненно, микросхемы семейства WT 751 x , выпускаемые компанией Weltrend Semiconductor .

Трехканальные супервизоры напряжений WT 751 x разработаны специально для системных блоков питания персональных компьютеров с целью уменьшения количества применяемых электронных компонентов и упрощения схемотехники управляющих каскадов. Данные микросхемы выполняют функции цепей защиты от превышения и от снижения выходных напряжений блока питания, функции формирователя сигнала Power Good (питание в норме), и функции контроля сигнала PSON (сигнал включения блока питания). Таким образом, применение данной микросхемы способно значительно упросить схемотехнику блока питания, так как супервизор напряжений заменяет собой целый ряд каскадов.

К особенностям микросхем семейства WT 751 x можно отнести:

— широкий диапазон питающих напряжений: от 4В до 15В;

— обеспечение защиты от снижения напряжений в каналах +5 V и +3.3 V ;

— наличие выхода с открытым коллектором для формирования сигнала защиты при ошибках в работе блока питания;

— наличие выхода с открытым коллектором для формирования сигнала Power Good (по состоянию напряжений +5 V и +3.3 V );

— обеспечение временной задержки в 300 мс при формировании сигнала Power Good ;

— наличие встроенного подавителя помех при переключениях микросхемы (подавитель действует в течение 73 мкс);

— обеспечение временной задержки в 75 мс при срабатывании защиты от снижения напряжений;

Цоколевка корпуса микросхемы представлена на рис.1, а описание ее контактов приводится в табл.1.

Функциональная блок-схема супервизора напряжений WT 751 x представлена на рис.2.

Основные характеристики супервизоров напряжений WT 751 x приводятся в табл.2.

Нормальное функционирование WT 751 x

Установка сигнала FPO # в низкий уровень должна приводить к запуску основного преобразователя блока питания. Как правило, сигналом FPO # управляется оптопара цепи запуска основного источника питания.

Функционирование WT7 51 x в аварийных режимах

В том случае, если происходит превышение выходных напряжений блока питания, блокировка микросхем WT 751 x происходит аналогичным образом, лишь только временная задержка при выключении будет составлять всего73 мкс.

Диагностирование микросхем семейства WP 751 x

Упрощенная диагностика

Наиболее простым способом проверки микросхемы, является «прозвонка» ее основных контактов с целью выявления пробоя на корпус. Для этого необходимо измерить сопротивление между конт.2 ( GND ) и:

Все эти измерения должны показать очень большое сопротивление. В противном случае, можно говорить о неисправности микросхемы.

Функциональная диагностика

Функциональная диагностика проводится с целью выявления ошибок в работе микросхемы. Функциональную проверку проще всего осуществлять, не выпаивая микросхему. Наиболее простой является следующая проверка:

— от лабораторного источника питания (или от второго системного блока питания) подать напряжение +5В на контакт VCC (конт.7);

— при этом между контактом FPO # (конт.3) и контактом GND (конт.2) должно быть большое сопротивление, а на контакте PSON # (конт.4) должно установится напряжение 3.4В – 3.6В;

— далее соединяем контакт PSON # (конт.4) с GND и в этот момент времени между контактом FPO # (конт.3) и контактом GND (конт.2) сопротивление на очень короткий период времени должно стать малым (поэтому для измерения сопротивления необходимо использовать быстродействующие измерительные приборы).

Полная функциональная проверка

— при высоком уровне сигнала PSON # на выходе FPO # должен быть высокий уровень, а на выходе PGO – низкий.

— при подаче на контакт PSON # низкого уровня (перемычкой на корпус) на выходе FPO # устанавливается низкий уровень, а на выходе PGO – высокий;

Методика проверки может быть дополнена и расширена, исходя необходимости и возникающей неисправности блока питания. Для этого достаточно внимательно изучить материал настоящей публикации. – все определяется лишь инструментальным оснащением стенда и фантазией специалиста.

Во-вторых, в схеме предусмотрен вариант упреждающего сброса в низкий уровень сигнала Power Good ( PGO ) при пропадании сетевого напряжения. Для этого импульсы, снимаемые с конт.5 силового импульсного трансформатора Т1, выпрямляются диодом D 14 и сглаживаются конденсатором C 36. Далее делитель R 46/ R 47 создает на контакте PGI (конт.1) напряжение, наличие которого горит о генерации импульсного преобразователя.

И, наконец, питание микросхемы супервизора осуществляется напряжением +5 V _ SB в период, когда работает только дежурный источник питания. После запуска основного преобразователя, супервизор начинает питаться от канала +12 V через D 18.

Схемотехника: Типовая схема Супервизора питания (детектор пониженного напряжения). Методика расчёта [2015.03.24]

Полезна ли эта статья? Однако, меня заворожила красота математических выкладок и пришедших идей. Поэтому захотел её опредметить…

(Примечание: картинки в статье кликабельны и ведут на увеличенное изображение.)

Вступление

Определение: Супервизор — это микросхема детектор пониженного напряжения, для защиты схемы/устройства от некачественного питания (по англ. «Undervoltage Protection», «Undervoltage Sensing Circuit», «Supply Voltage Supervisor» и т.п.)

Таким образом, в этой статье представлен разбор принципа работы двух схем. Методика расчёта обвязки компаратора, для обоих схем. И мои рекомендации, какая из двух схем лучше.

1. Типовая схема Супервизора «Рис.1»

По этой схеме выполнены микросхемы Супервизоров: KIA70xx Series; PST529 Series; отечественные серии К1171СП2хх, К1274хх. То есть, здесь, большинство простейших универсальных трехвыводных супервизоров питания общего назначения.

Рис.1 — Типовая схема Супервизора:

Пояснение работы схемы

На компаратор поступает два напряжения, формируемые:
(1) каскадом со стабилитроном = Vcc — dUстаб. (фиксированная аддитивная добавка)
(2) резистивным делителем = Vcc * R2/(R1+R2) (пропорциональная часть)

Изначально: (1)>(2), компаратор выдаёт «лог.0» на выходе.

При уменьшении Vcc, пропорциональная часть (2) от Vcc — уменьшается медленнее, чем целое Vcc (1)… В конце концов, потенциал (1) нагонит и сравняется с (2).

Смещение dUстаб. не влияет на скорость схождения — это лишь небольшая фора для (1), чтобы успеть нагнать напряжение (2), которое стартует при изначально более «выгодных» условиях Хотя, скорость снижения напряжения (1) быстрее. Однако, если бы не было смещения dUстаб., то (1) никогда бы не догнал (2), но они бы лишь сравнялись только в точке =0V.

Практически, процессы можно проиллюстрировать графиком «Рис.3», который облегчает настройку параметров системы и делает вещи более очевидными.
Точка равенства напряжений (1)=(2): Uпорог-dUстаб. = Uпорог*R2/(R1+R2)

Рис.3 — Точка переключения компаратора:

Примечание: Для универсальности, далее в расчётах и по тексту, будем обозначать смещение и Стабилитрона, и ИОНа одинаково: dUстаб. (номинал стабилитрона) = Uref (номинал ИОН). По сути, это одно и тоже, тождественно.

Расчёт схемы

Пусть, требуется Uпорог=3.2V

Номинал стабилитрона: Uref=3/4*Uпорог=2.4V (меньше не бывает, и в рекомендуемый диапазон попадает)
Стабилитрон BZV55-B/C2V4 имеет ток утечки Irmax=50uA.
Следовательно, в него надо загонять ток на порядок больше >500uA.
Следовательно, номинал токоограничивающего резистора должен быть менее R3 3uA. Тогда, сумма номиналов резисторов должна быть, как минимум, меньше: (R1+R2) 30uA. Тогда, сумма номиналов резисторов должна быть меньше: (R1+R2) 4V) — то можно использовать и Стабилитрон, как дешёвую альтернативу.

Зачем нужен выходной транзистор Q1?

Этот вопрос лучше задать иначе: Почему на функциональной схеме Супервизора, в datasheet, после ОУ изображён дополнительный выходной каскад на биполярном транзисторе?
Ответ: Нет там никакого ключа! Это условное графическое изображение (УГО) того факта, что выход Супервизора — с открытым коллектором (англ. «Open collector» or «Open-Drain» Output).

Есть одно важное Функциональное Требование: от Супервизора требуется ВЫХОД С ОТКРЫТЫМ КОЛЛЕКТОРОМ. Ведь, одно из самых традиционных применений Супервизоров — это давить шину RESET к Земле (при некачественном питании)…

Как правило, и для большинства выпускаемых Компараторов это так: выход Компаратора напряжений представляет собой «выход с открытым коллектором»!
Почему именно выход с открытым коллектором? Это лёгкий и доступный, и наверное самый простой, способ обеспечить необходимую универсальность применения Компараторов: совместимость выходов логическим уровням TTL и CMOS. А также, для специфических схем, где требуется открытый коллектор: например, соединять выходы нескольких компараторов по «логике ИЛИ»… или вот, подобно Супервизору, для непосредственного подключения к «Шине с открытым коллектором»…

Но не смотря на то, что Компаратор — это разновидность ОУ… Однако, выходные каскады Операционных усилителей (ОУ) — построены по Двухтактной схеме (как в комплементарной логике), и не являются «выходами с открытым коллектором»!
Поэтому, Операционные усилители (такие как LM324, LM358 и LM741), обычно, не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжений, из-за их биполярных выходов (и низкой скорости). Тем не менее, эти операционные усилители могут быть использованы в качестве компаратора напряжений, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор — для того чтобы воссоздать выход с открытым коллектором… (Приятный бонус: использование внешнего транзистора позволит обеспечить бОльший ток нагрузки, чем у обычного компаратора.)

Поскольку условное графическое изображение (УГО) компараторов и ОУ практически не различаются, то на схемах в datasheet, чтобы подчеркнуть факт «открытого коллектора» — специально дорисовывают дополнительный выходной каскад на биполярном транзисторе (с открытым коллектором)…

Какой номинал «эталонного смещения» выбрать?

Комментарии ( 20 )

По поводу этой схемы меня мучают несколько глобальных (в целом теоретических) вопросов, на которые у меня нет ответов:

1/ Чем будет отличаться работа схемы и какова суть проистекающих в ней процессов, если VD1 и R1 поменять местами? Т.е. если этот вариант мы обозначим R1-VD1, R2-VD2. В отличии от исходной комбинации VD1-R1, R2-VD2

2/ И что можно сказать про другие комбинации этой схемы, коих в общем числе 4?

если VD1 и R1 поменять местами?

А, понял! Я, как и Celeron, тоже не был киндервудом в школе, но гугель и педевикия помогут старине веллману! Ход моих мыслей (а-ля Celeron) таков:

Електроны бегут от минуса к плюсу, и I1 = I2 + I3, т.е. БОЛЬШИЙ ток I1 течет через ДЕШЕВЫЙ и дубовый резистор, а уже МЕНЬШИЙ ток I2 течет через столь ЦЕННЫЙ прибор, как стабилитрон. :DDDD

педевикия помогут старине веллману!

Если бы Вы такое написали кому другому из здешних обитателей — я очень хорошо представляю их МГНОВЕННУЮ РЕФЛЕКСИЮ: кто-то осклабясь и ехидненько улыбаясь ответил бы, что эти законы ему давно уже знакомы и якобы случайно ляпнул бы еще чего умного/формульного или, опять же якобы случайно, упомянул бы, что получил 5-ку по ТОЭ, вспомнил свой «крутой» институт/кафедру и тд и тп; другой же начал бы выдавать аналогичную инфу, но в более злобной манере, и обиженно-оскорбленно преследовал бы Вас еще несколько постов подряд, объясняя таким образом(как и первый) — какой он УМНЫЙ и образованный :DDD

Нет худшего оскорбления для типичного здешнего киндервуда, чем упрек или даже тонкий намек на его НЕУМНОСТЬ, НЕОБРАЗОВАННОСТЬ или просто НЕЗНАНИЕ чего-либо в профильной специальности. Такое предсказуемое поведение — уже даже не смешит, как некогда, а уже навевает тоскливую скуку на человека уже давно достигшего полного похуизма нирваны во всем этом суетном и неблагодарном деле — стать умнее/начитаннее/осведомленнее других киндервудов, получить на лоб клеймо «IQ >> medium_level» и всем с гордостью демонстрировать его при каждом удобном случае.

Вот один из эпичнейших пруфов сказанного мной — даже сейчас, прочитав это еще раз, меня просто распирает от дикого хохота :DDD Чел с просто википедическим_багажом_знаний, и который_все_знает_обо_всем загадал задачку. Тут же(точнее через 50 мин) подорвался отнюдь не вьюноша, но «телемастер» по установке и настройке колонок и видеопроекторов, с коротким сообщением: Решил. WTF. Т.е. даже такой якобы СЕРЬЕЗНЫЙ старикан купился на наживку и сообщил всей local_universe: Я, Я — УМНЫЙ (САМЫЙ/САМЫЙ_ПЕРВЫЙ УМНЫЙ). Далее нарисовался уже супер-мега-пупер-киндервуд, который лениво слонялся в этой теме, как обычно высокомерно и свысока поглядывая на остальных и поковыривая зубочисткой в зубах. Якобы снисходительно отписался: Занятная задачка. Немного подумал(ну кто такой по сравнению со мной этот старикан-телемастер?) и дописал: Решил (Э-з-з. ) минуты за ДВЕ. Wow. Я чуть не упал с табуретки от хохота, когда читал это в первый раз :DDD e_mc2, а Вам разве не смешно все это? Для полной широты комедии и ее персонажей(сами своими же пальцами написали не хуже Гоголя, даже не догадываясь об этом) советую почитать Вам всю эту тему.

Долгими зимними вечерами в своей деревне я писал докторскую диссертацию и открыл целую науку, но радость моя после завершения сего труда была преждевременной — к сожалению эту науку(термодинамику) уже открыли ушлые киндервуды и мажоры, которым, в отличии от меня, в детстве и юности дали хорошее образование.

МИР ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ ПК

технический журнал для специалистов сервисных служб

Супервизоры напряжений для системных источников питания семейства WT751x

В схемотехнике современных системных источников питания, практически, обязательным становится такой элемент, как супервизор напряжений. Супервизор напряжений в большинстве случаев представляет собой отдельную микросхему, функцией которой является контроль выходных напряжений блока питания и генерация сигнала PowerGood . Кроме того, супервизор напряжений является тем элементом, который обеспечивает запуск и выключение блока питания. На сегодняшний день мировая электронная промышленность предлагает множество различных супервизоров напряжения, но одними из самых популярных при разработке блоков питания являются, несомненно, микросхемы семейства WT 751 x , выпускаемые компанией Weltrend Semiconductor .

Трехканальные супервизоры напряжений WT 751 x разработаны специально для системных блоков питания персональных компьютеров с целью уменьшения количества применяемых электронных компонентов и упрощения схемотехники управляющих каскадов. Данные микросхемы выполняют функции цепей защиты от превышения и от снижения выходных напряжений блока питания, функции формирователя сигнала Power Good (питание в норме), и функции контроля сигнала PSON (сигнал включения блока питания). Таким образом, применение данной микросхемы способно значительно упросить схемотехнику блока питания, так как супервизор напряжений заменяет собой целый ряд каскадов.

К особенностям микросхем семейства WT 751 x можно отнести:

— широкий диапазон питающих напряжений: от 4В до 15В;

— обеспечение защиты от снижения напряжений в каналах +5 V и +3.3 V ;

— наличие выхода с открытым коллектором для формирования сигнала защиты при ошибках в работе блока питания;

— наличие выхода с открытым коллектором для формирования сигнала Power Good (по состоянию напряжений +5 V и +3.3 V );

— обеспечение временной задержки в 300 мс при формировании сигнала Power Good ;

— наличие встроенного подавителя помех при переключениях микросхемы (подавитель действует в течение 73 мкс);

— обеспечение временной задержки в 75 мс при срабатывании защиты от снижения напряжений;

Цоколевка корпуса микросхемы представлена на рис.1, а описание ее контактов приводится в табл.1.

Функциональная блок-схема супервизора напряжений WT 751 x представлена на рис.2.

Основные характеристики супервизоров напряжений WT 751 x приводятся в табл.2.

Нормальное функционирование WT 751 x

Установка сигнала FPO # в низкий уровень должна приводить к запуску основного преобразователя блока питания. Как правило, сигналом FPO # управляется оптопара цепи запуска основного источника питания.

Функционирование WT7 51 x в аварийных режимах

В том случае, если происходит превышение выходных напряжений блока питания, блокировка микросхем WT 751 x происходит аналогичным образом, лишь только временная задержка при выключении будет составлять всего73 мкс.

Диагностирование микросхем семейства WP 751 x

Упрощенная диагностика

Наиболее простым способом проверки микросхемы, является «прозвонка» ее основных контактов с целью выявления пробоя на корпус. Для этого необходимо измерить сопротивление между конт.2 ( GND ) и:

Все эти измерения должны показать очень большое сопротивление. В противном случае, можно говорить о неисправности микросхемы.

Функциональная диагностика

Функциональная диагностика проводится с целью выявления ошибок в работе микросхемы. Функциональную проверку проще всего осуществлять, не выпаивая микросхему. Наиболее простой является следующая проверка:

— от лабораторного источника питания (или от второго системного блока питания) подать напряжение +5В на контакт VCC (конт.7);

— при этом между контактом FPO # (конт.3) и контактом GND (конт.2) должно быть большое сопротивление, а на контакте PSON # (конт.4) должно установится напряжение 3.4В – 3.6В;

— далее соединяем контакт PSON # (конт.4) с GND и в этот момент времени между контактом FPO # (конт.3) и контактом GND (конт.2) сопротивление на очень короткий период времени должно стать малым (поэтому для измерения сопротивления необходимо использовать быстродействующие измерительные приборы).

Полная функциональная проверка

— при высоком уровне сигнала PSON # на выходе FPO # должен быть высокий уровень, а на выходе PGO – низкий.

— при подаче на контакт PSON # низкого уровня (перемычкой на корпус) на выходе FPO # устанавливается низкий уровень, а на выходе PGO – высокий;

Методика проверки может быть дополнена и расширена, исходя необходимости и возникающей неисправности блока питания. Для этого достаточно внимательно изучить материал настоящей публикации. – все определяется лишь инструментальным оснащением стенда и фантазией специалиста.

Во-вторых, в схеме предусмотрен вариант упреждающего сброса в низкий уровень сигнала Power Good ( PGO ) при пропадании сетевого напряжения. Для этого импульсы, снимаемые с конт.5 силового импульсного трансформатора Т1, выпрямляются диодом D 14 и сглаживаются конденсатором C 36. Далее делитель R 46/ R 47 создает на контакте PGI (конт.1) напряжение, наличие которого горит о генерации импульсного преобразователя.

И, наконец, питание микросхемы супервизора осуществляется напряжением +5 V _ SB в период, когда работает только дежурный источник питания. После запуска основного преобразователя, супервизор начинает питаться от канала +12 V через D 18.

Супервизоры питания

Cамым эффективным и дешевым способом контроля над напряжением питания при разработке микропроцессорных систем является использование внешней микросхемы супервизора питания. Она позволяет не только поддерживать контроллер в состоянии сброса перед его пуском (функция POR — power on reset), но и контролировать уровень и стабильность питания во время выполнения программы (функция BOR — brown out reset), выполнять функции сторожевого таймера (WDT), а также реализовывать другие сервисные функции, такие, как внешний сброс. Компания Microchip Technology Inc., ведущий мировой производитель 8-ми и 16-битных контроллеров, предлагает широкий диапазон супервизоров и детекторов напряжения.

Зачем нужен супервизор?

Супервизоры питания микроконтроллеров используются в различных приложениях, но две основные задачи, которые они позволяют решать — следующие:

1. Удержание контроллера в состоянии сброса до тех пор, пока напряжение питания не достигнет заданного значения и не стабилизируется (POR).

2. Сброс контроллера при снижении напряжения питания ниже критического уровня или при внезапном провале напряжения (BOR).

Несмотря на то, что большинство современных микроконтроллеров уже имеют в своем составе встроенные модули POR и BOR, применение внешних супервизоров оправданно по следующим соображениям:

1. Ограниченное число контрольных точек для сброса микроконтроллера при использовании внутренних функций, по сравнению с супервизором.

2. Ток потребления внешнего супервизора в сотни раз меньше по сравнению с потреблением при подключении внутренней функции BOR и POR, что связано в первую очередь с технологией производства микроконтроллеров и аналоговых микросхем.

Таблица 1. Характеристики сброса

В таблице 1 приводится сравнение двух контроллеров PIC производства Microchip Technology Inc. и супервизоров MCP121 и MCP111 по количеству пороговых значений напряжения и току потребления, подтверждающее эти положения:

Помимо описанных функций, супервизоры могут использоваться в качестве сторожевого таймера (WDT) для контроля выполнения времени программы, а также для организации так называемого «оконного» режима. В последнем случае используется два супервизора: один непосредственно для сброса контроллера, а второй — для выявления факта снижения напряжения, чтобы иметь возможность корректно сохранить данные в промежуток времени перед перезагрузкой процессора.

Далее рассмотрены примеры реализации всех указанных функций.

Функция POR

В спецификации на большинство микроконтроллеров указываются параметры, характеризующие, в частности, режим нарастания питания. Неравномерность в нарастании напряжения, несоответствие реальной скорости нарастания и скорости, указанной в спецификации на контроллер, может привести к сбоям в работе контроллера или некорректному запуску.

Как уже упоминалось выше, супервизоры питания позволяют решить подобные проблемы путем удержания микроконтроллера в состоянии сброса до тех пор, пока напряжение питания не достигнет заданного уровня и не стабилизируется. Как только питание стабилизируется, контроллер запускается и начинает выполнение своей программы (рис. 1).

Рис. 1. Удержание контроллера в состоянии «Сброс» при нарастании напряжения питания

Обычно период сброса для различных супервизоров варьируется в диапазоне от 150 до 500 мс. Детекторы напряжения, позволяющие контролировать уровень напряжения питания, отличаются от супервизоров отсутствием задержки импульса сброса.

Функция BOR

Под понятием «Brown out» или потерей напряжения питания (рис. 2) подразумевают различные случаи колебания, «провисания» или превышения напряжением безопасного порогового уровня.

Рис. 2. Сброс контроллера при снижении напряжения питания ниже заданного уровня

Такие колебания, вызванные различными причинами, могут привести к некорректной работе контроллера, сохранению неверных данных в памяти и, как следствие, неправильному функционированию системы в целом.

К сожалению, не всегда на этапе проектирования и разработки системы предусматриваются подобные случаи потери напряжения, и проблемы обнаруживаются уже потом, когда изделие уже готово и запущенно в массовое производство.

Постепенное снижение напряжения

Помимо колебаний и резких провалов напряжения, типичным является постепенное медленное снижение питания (рис. 3). Речь в первую очередь идет о батарейных приложениях, где такая ситуация возможна при разряде батареи.

Рис. 3. Постепенное снижение напряжения питания

Подобные ситуации могут, в частности, приводить к тому, что собьется счетчик команд, и программа начнет работать неправильно.

Если в системе используется внешняя энергонезависимая память EEPROM, которая работает при напряжениях питания от 1,2 В, то возможна ситуация, когда микроконтроллер будет работать неправильно и запишет случайные данные в EEPROM, что может быть обнаружено (или нет) при последующей перезагрузке.

Как подобрать супервизор?

Для реализации функций POR/BOD необходимо обратить внимание на следующие основные факторы:

1. Напряжение сброса (большинство супервизоров имеют ряд фиксированных напряжений срабатывания для поддержки 5 В и 3 В систем);

2. Тип выхода (с открытым стоком, с внутренним подтягивающим резистором или комплементарный);

3. Полярность импульса сброса (низкий/высокий уровень).

В таблице 2 приводятся типичные номиналы напряжений на сброс. Выбор номинала напряжения определяется в первую очередь напряжением питания контроллера и диапазоном напряжения питания элементов всей цепи.

Таблица 2. Типичные номиналы напряжений на сброс супервизоров

К примеру, для контроллера с питанием 5 В ±10%, работающем в диапазоне 4,5…5,5 В, выбор супервизора с минимальной и максимальной точками сброса 4,5 В и 4,75 В соответственно гарантирует сброс микроконтроллера до достижения нижнего порога работы процессора.

Выбор полярности импульса сброса супервизора определяется активным уровнем на входе сброса контроллера. К примеру, у супервизоров MCP100/120/130 активный уровень сброса низкий, а у MCP101 — высокий.

Помимо перечисленных свойств, супервизоры характеризуются такими параметрами как:

Ниже идет описание отличительных особенностей супервизоров и детекторов напряжения компании Microchip Technology Inc.

Микропотребление

Mircochip Technology Inc. производит ряд супервизоров питания, рекомендуемых для применения в портативных и батарейных приложениях (см. табл. 3). Их отличительной особенностью является сверхнизкий ток потребления — единицы и доли микроампер.

Таблица 3. Микропотребляющие супервизоры

Это дает возможность интегрировать супервизоры Microchip в системы, критичные к току потребления, экономя мощность с одной стороны, и повышая надежность системы — с другой.

Супервизоры со входом сторожевого таймера

Microchip производит супервизоры с функцией сторожевого таймера WDT (рис. 4), позволяющие контролировать, помимо напряжения питания, время выполнения программы микроконтроллера (см. табл. 4).

Рис. 4. Использование супервизора в качестве сторожевого таймера

Таблица 4. Супервизоры Microchip со встроенной функцией WDT

Если заданное гарантированное время выполнения программы оказывается больше программируемого тайм-аута сторожевого таймера (Twd), на выходе супервизора /RST устанавливается низкий уровень, и микроконтроллер сбрасывается.

Супервизоры со входом для подключения кнопки сброса

В некоторых портативных приложениях требуется иметь кнопку ручного сброса. Microchip предлагает ряд супервизоров со входом для непосредственного подключения кнопки сброса микроконтроллера (/MR) без дополнительного проектирования внешних цепей (рис. 5). Время Trst, указываемое в документации на супервизоры, определяет продолжительность импульса сброса микроконтроллера.

Рис. 5. Ручной сброс микроконтроллера с использованием супервизора

Супервизоры со входом для подключения кнопки сброса отмечены в таблице 4 аббревиатурой MR в колонке «Дополнительные особенности».

Использование супервизоров для организации «оконного» режима

В некоторых случаях перед сбросом контроллера при снижении напряжения питания необходимо предварительно корректно сохранить все промежуточные данные и программный контекст. Для того, чтобы за время снижения напряжения питания с уровня V1 до критического уровня сброса V2 контроллер успел соответствующим образом обработать это событие и сохранить необходимые данные в энергонезависимой EEPROM- или Flash-памяти, в системе ставят два супервизора. Один — для выявления факта снижения напряжения и индикации контроллеру, а второй — непосредственно для сброса контроллера при достижении критического уровня значения напряжения питания (рис. 6). Такой прием позволяет повысить надежность системы за счет контроля над напряжением питания микроконтроллера, а также за счет своевременного оповещения о снижении напряжения до критического уровня.

Рис. 6. Использование супервизоров для организации «оконного» режима контроля над напряжением

Детекторы напряжения

Детекторы напряжения, как уже упоминалось выше, отличаются от супервизоров отсутствием задержки на выходе сброса RST.

Microchip производит ряд детекторов в миниатюрных корпусах 3/SOT-23, 3/SOT-89, 3/TO-92, отличающихся сверхнизким собственным потреблениемпотреблением (см. табл.5).

Таблица 5. Детекторы напряжения Microchip

Заключение

Отметим, что основными параметрами супервизоров, на которые следует обратить внимание при его выборе, являются:

1) пороговое напряжение;
2) тип выхода;
3) полярность напряжения сброса;
4) величина импульса сброса;
5) собственное потребление;
6) температурный диапазон.

Компания Microchip Technology Inc. производит микропотребляющие недорогие супервизоры в миниатюрных корпусах, с различными номиналами напряжений на сброс, типами выхода и величиной импульса сброс.

Информация об аналоговой и интерфейсной продукции Microchip, в том числе детекторам и супервизорам напряжения: последние версии документации, примеры применения, программное обеспечение для разработки и отладки, необходимая техническая литература — всегда доступна на сайте Microchip Technology Inc. по прямой ссылке: www.miсrochip.com/analog.

По вопросам получения технической информации,
заказа образцов и поставки обращайтесь в компанию КОМПЭЛ.
E-mail: analog.vesti@compel.ru

Новые приборы Microchip для интеллектуальных датчиков

Компания Microchip Technology Inc. анонсировала выпуск семейства цифровых контроллеров сигналов (Digital Signal Controller, DSC), получившего обозначение dsPIC33FJ12GP. Новинки особенно хорошо подходят для применения в умных датчиках, поскольку они, во-первых, являются самыми маленькими DSC в мире, во-вторых, имеют низкое энергопотребление, и, в-третьих, недороги.

Разработчики встраиваемых систем часто вынуждены разносить датчики и процессоры, поскольку габариты компонентов не позволяют расположить все необходимое в одном месте без увеличения размеров датчиков или перекомпоновки изделия. Это, в свою очередь, может отрицательно повлиять на производительность и помехозащищенность системы. В случае dsPIC33FJ12GP разработчики получают возможность разместить сигнальный процессор вплотную к датчику, устранив источник помех и разгрузив центральный процессор. Так выглядит концепция Smart Sensor.

Размеры 18- и 28-контактных корпусов, выбранных для приборов семейства, — всего лишь 6 x 6 мм. В то же время производительность на уровне 40 MIPS открывает перед dsPIC33FJ12GP широкое поле применений.

В состав dsPIC33FJ12GP входят встроенные аналогово-цифровые преобразователи (до 10 каналов, разрядность — 10 или 12 бит), способные выполнять до 1,1 миллиона преобразований в секунду и позволяющие задействовать избыточную дискретизацию для улучшения отношения сигнал/шум. Возможности dsPIC33FJ12GP позволяют также выполнить цифровую фильтрацию — более эффективную и не требующую внешних компонентов, в отличие от аналоговых фильтров. Контроллеры оснащены 12 Кб флэш-памяти, 1 Кб оперативной памяти, интерфейсными блоками UART, SPI и I 2 C. При решении некоторых задач приборы dsPIC33FJ12GP могут играть роль единственного процессора в системе.

Супервизоры и схемы сброса компании STMicroelectronics

Статья посвящена обзору тех компонентов компании STMicroelectronics, которые являются первым «фронтом обороны» микроконтроллеров, процессоров и программируемых логических микросхем от нестабильности источников питания. В этот список входят супервизоры со встроенным сторожевым таймером и без него на один и более входных каналов, супервизоры со встроенным ключом, автоматически переключающим питание устройств с основного источника на резервное батарейное питание, специализированные супервизоры.

Супервизоры питания — интегральные микросхемы, изменяющие состояние своего выходного цифрового сигнала, если уровень напряжения питания установился ниже определенной пороговой величины. Доминирующей сферой использования таких устройств являются микропроцессорные системы, особенно если в них используются энергонезависимые запоминающие устройства.

Применение супервизоров питания в таких системах позволяет устранить несанкционированное поведение микропроцессора/микроконтроллера при подаче и снятии питания, то есть в интервалах времени, когда напряжение питания находится на недостаточном уровне для корректной дешифрации и исполнения кода команды. В этих случаях возможна самопроизвольная и/или незаконченная запись в энергонезависимую память микроконтроллера.

В тех случаях, когда к электронному изделию предъявляются высокие требования надежности в сочетании с суровыми условиями эксплуатации (высокие электромагнитные и электростатические поля) и особыми требованиями безопасности для человека (например в индустриальной электронике), применение внешнего супервизора является обязательным даже несмотря на наличие практически во всех семействах микроконтроллеров STMicroelectronics собственных встроенных схем мониторинга напряжения питания и независимых сторожевых таймеров. Это связано, в частности, с тем, что отказ микроконтроллера может распространяться и на его систему сброса.

Другая область применения — CPLD/FPGA, которые не имеют в своем составе супервизоров. Положение усугубляется потребностью таких микросхем в отдельных напряжениях питания для ядра, портов ввода/вывода, аналоговых и цифровых узлов ФАПЧ и др. В этих случаях необходимо применение многоканальных супервизоров.

Конкретный пример: современный электропривод металлообрабатывающего промышленного станка, в котором математическим управлением чаще всего занимается микроконтроллер, в свою очередь управляющий силовыми ключами и обрабатывающий сигналы внешних датчиков тока и датчика положения вала двигателя. В случае сбоя или «зависания» этого микроконтроллера, силовые ключи останутся в непредсказуемом состоянии, что может вызвать разрушение не только двигателя, но и станка, за которым находится оператор. А применение внешнего супервизора позволяет избежать таких опасных ситуаций — выход сброса супервизора можно использовать не только для сброса микроконтроллера, но и для принудительного переключения выходных ключей в предварительно определенное безопасное состояние, минуя сам микроконтроллер, то есть аппаратно.

Самые простые супервизоры не содержат никакой предварительной обработки входного сигнала: выход компаратора у них управляет непосредственно выходным ключевым транзистором. Недостатком таких супервизоров является неустойчивость поведения на пороге срабатывания. Для устранения этого недостатка во все супервизоры STMicroelectronics введены триггеры Шмидта.

В тех случаях, когда допускается кратковременное снижение уровня питания, необходима временная задержка исполнительного сигнала, иначе это приведет, например, к нежелательному сбросу микроконтроллера. Компания STMicroelectronics выпускает несколько серий супервизоров с функцией задержки сигнала сброса. За это отвечает встроенный сторожевой таймер — Watch Dog Timer (WDT). Этот таймер вырабатывает сигнал сброса, если микроконтроллер «не отвечает» в течение определенного фиксированного интервала времени.

Таким образом, сторожевой таймер защищает микропроцессорную систему не только во время переходных процессов источника питания, но и при сбоях в ходе выполнения программы при нормальном напряжении питания, что может быть вызвано действием мощной электромагнитной помехи. Кроме того, использование сторожевого таймера исключает необходимость применения кнопки «сброс» для выхода из состояния «зависания», так как в этом случае таймер автоматически возвращает микроконтроллер к нормальному режиму работы.

Компания STMicroelectronics выпускает большую линейку супервизоров питания, которая практически полностью покрывает потребности разработчика.

Супервизоры общего назначения (табл. 1, рис. 1) разделяются по числу входных контролируемых каналов (от одного до пяти), дополнительному входу принудительного сброса (например, внешняя кнопка RESET), активному логическому уровню формируемого сигнала сброса (низкий и высокий), типу выходного ключа сброса (открытый коллектор и двухтактный выход) и длительности импульса сброса. Основная область применения — супервизоры для микропроцессоров и программируемых логических микросхем CPLD/FPGA.

Рис. 1. Структурная схема супервизора общего назначения

Таблица 1. Супервизоры общего назначения: параметры и характеристики

Схемотехника: Типовая схема Супервизора питания (детектор пониженного напряжения). Методика расчёта [2015.03.24]

Полезна ли эта статья? Однако, меня заворожила красота математических выкладок и пришедших идей. Поэтому захотел её опредметить…

(Примечание: картинки в статье кликабельны и ведут на увеличенное изображение.)

Вступление

Определение: Супервизор — это микросхема детектор пониженного напряжения, для защиты схемы/устройства от некачественного питания (по англ. «Undervoltage Protection», «Undervoltage Sensing Circuit», «Supply Voltage Supervisor» и т.п.)

1. Некоторые схемы основаны на классической конфигурации, когда эталонный Источник Опорного Напряжения (ИОН) подключается Анодом к Земле и подпирает один из входов Компаратора — это, ИМХО, более естественно и привычно.
   Обычно, в такой схеме, ИОН подпирает инверсный вход (-), тогда при снижении напряжения питания ниже Порога — выход компаратора переключается в состояние «лог.0», что значит: «ошибка» или «нет питания»… (см. схему «Рис.2»)
2. Но как ни странно, большинство Супервизоров общего назначения реализованы на перевёрнутой конфигурации: когда ИОН подключается как-то хитро… Катодом к шине Питания… Запутанная схема — вызвала желание разобраться… (см. схему «Рис.1»)

Таким образом, в этой статье представлен разбор принципа работы двух схем. Методика расчёта обвязки компаратора, для обоих схем. И мои рекомендации, какая из двух схем лучше.

1. Типовая схема Супервизора «Рис.1»

По этой схеме выполнены микросхемы Супервизоров: KIA70xx Series; PST529 Series; отечественные серии К1171СП2хх, К1274хх. То есть, здесь, большинство простейших универсальных трехвыводных супервизоров питания общего назначения.

Рис.1 — Типовая схема Супервизора:

Пояснение работы схемы

На компаратор поступает два напряжения, формируемые:
(1) каскадом со стабилитроном = Vcc — dUстаб. (фиксированная аддитивная добавка)
(2) резистивным делителем = Vcc * R2/(R1+R2) (пропорциональная часть)

Изначально: (1)>(2), компаратор выдаёт «лог.0» на выходе.

При уменьшении Vcc, пропорциональная часть (2) от Vcc — уменьшается медленнее, чем целое Vcc (1)… В конце концов, потенциал (1) нагонит и сравняется с (2).

Смещение dUстаб. не влияет на скорость схождения — это лишь небольшая фора для (1), чтобы успеть нагнать напряжение (2), которое стартует при изначально более «выгодных» условиях <Упрощённо: если напряжение (1) бежит аж от Vcc до 0V, то напряжение (2) бежит от Vcc*R2/(R1+R2) до 0V. >Хотя, скорость снижения напряжения (1) быстрее. Однако, если бы не было смещения dUстаб., то (1) никогда бы не догнал (2), но они бы лишь сравнялись только в точке =0V.

Практически, процессы можно проиллюстрировать графиком «Рис.3», который облегчает настройку параметров системы и делает вещи более очевидными.
Точка равенства напряжений (1)=(2): Uпорог-dUстаб. = Uпорог*R2/(R1+R2)

Рис.3 — Точка переключения компаратора:

Примечание: Для универсальности, далее в расчётах и по тексту, будем обозначать смещение и Стабилитрона, и ИОНа одинаково: dUстаб. (номинал стабилитрона) = Uref (номинал ИОН). По сути, это одно и тоже, тождественно.

Расчёт схемы

Пусть, требуется Uпорог=3.2V

Номинал стабилитрона: Uref=3/4*Uпорог=2.4V (меньше не бывает, и в рекомендуемый диапазон попадает)
Стабилитрон BZV55-B/C2V4 имеет ток утечки Irmax=50uA.
Следовательно, в него надо загонять ток на порядок больше >500uA.
Следовательно, номинал токоограничивающего резистора должен быть менее R3 < (Uпорог-Uref)/500uA=1600R, т.е. R3=1.5k

Компаратор должен иметь «Выход с открытым коллектором»…
В модели использован Идеальный компаратор (для безглючности симуляции и чётких графиков), но входные каскады рассчитаем, для примера, на реальные компараторы общего назначения:

LMx39 (4шт. Компаратора, Питание single +2..36V, или dual +-1..18V)
у него, средний входной ток: «Input Bias Current Max.» = 250nA
плюс, для верности, дифференциал между входами: «Input Offset Current Max.» = 50nA

LMx93 (2шт. Компаратора, Питание single +2..36V, или dual +-1..18V)
у него, средний входной ток: «Input Bias Current Max.» = 500nA
плюс, для верности, дифференциал между входами: «Input Offset Current Max.» = 200nA
(хм, этот — вообще, так себе. )

Предположим, реальная схема будет построена на компараторе «LMx39». Максимальный ток по входу, при самых неблагоприятных условиях, будет = «Input Bias Current Max.» + «Input Offset Current Max.» = 300nA
Следовательно, через резистивный делитель должен протекать ток, как минимум, на порядок больше >3uA. Тогда, сумма номиналов резисторов должна быть, как минимум, меньше: (R1+R2) < Uпорог/3uA=1M
Хотя, для точности — желательно, конечно, чтобы через резистивный делитель протекал ток на два порядка больше >30uA. Тогда, сумма номиналов резисторов должна быть меньше: (R1+R2) < Uпорог/30uA=100k…
Но при таком грубоватом компараторе (со значительными утечками) — мы не будем гнаться за идеальной схемотехникой. Тем более, что «типичные» токи утечки ожидаются на порядок меньше, чем «максимальные»… Поэтому, здесь, рекомендую рассчитывать на границу: (R1+R2)<1M

Второе уравнение системы, для расчёта резисторов:
(Uпорог-Uref)=Uпорог*R2/(R1+R2) или
R2/R1=(Uпорог/Uref-1)
а учитывая, что у нас Uref=3/4*Uпорог:
R1=3*R2.
Решив систему уравнений, получаем номиналы: R1=150k, R2=51k…
Окончательную подстройку границы срабатывания производим экспериментально…

2. Классическая схема Супервизора «Рис.2»

По этой схеме выполнены микросхемы Супервизоров: ADM705, ADM706, ADM707, ADM708; TLC7701, TLC7725, TLC7703, TLC7733, TLC7705; и возможно, MN1280x, MN1281x. Это всё сложные специализированные супервизоры питания для микропроцессоров, с кучей дополнительных функций. Диапазон питания у данных супервизоров ограничен максимумом 6-7V. А компаратор напряжений, выполненный по «классической схеме», присутствует в них отдельным функциональным узлом.
Но сюда же попадают и простейшие супервизоры общего назначения: MC34064, MC33064.

Рис.2 — Классическая схема Супервизора:

Расчёт схемы

Первая часть расчётов — абсолютно такая же, как и для схемы «Рис.1» — можно не смотреть…
Различия проявляются только во второй части расчётов. Причём, заметьте: полученные номиналы для R1 и R2 — абсолютно те же, что и для схемы «Рис.1», но взаимообратные, т.к. схема симметрична!

Второе уравнение системы, для расчёта резисторов:
Uref=Uпорог*R2/(R1+R2) или
R1/R2=(Uпорог/Uref-1)
а учитывая, что у нас Uref=3/4*Uпорог:
R2=3*R1.
Решив систему уравнений, получаем номиналы: R1=51k, R2=150k…
Окончательную подстройку границы срабатывания производим экспериментально…

3. Сравнение схем

Предыдущая схема «Рис.1», поначалу, меня очень удивляла: странно, почему Диод Зеннера в верхнем плече (это же источник опорного напряжения — обычно, его ставят от Земли до некоторого порога Uref)? Да ещё и выходы компаратора пришлось менять местами, для требуемой логики переключения (схема «Рис.1» выглядит перевёрнутой)?
Классическая схема «Рис.2» — прямая и ясная: здесь, чётко виден уровень Vref; делитель входного (тестового) напряжения Vtest… Диод Зеннера (или ИОН) задаёт эталонное опорное напряжение, равное части Uпорогового…

Так зачем же путать себя (и природу), выдумывая хитрости конфигурации «Рис.1»?
Догадываюсь: возможно, схема «Рис.2» хоть и проще/понятнее, но менее технологична для настройки и изготовления? У производителей свои причины…

По схемотехнике и принципиальной возможности для реализации — разницы нет, куда ставить Стабилитрон/ИОН, в верхнее плечо или в нижнее. Реализовать ИОН «от верхнего уровня» плавающего Питания (VCC) — столь же просто, в схемотехническом плане, как и «от нижнего уровня» фиксированной Земли (GND).
Если задействуется простой Стабилитрон — там напряжение смещения формируется чисто физическими процессами PN-перехода, а не хитрой схемой ИОН — нет схемотехнических изысков, которые нужно упорядочивать… Однако, микросхемы ИОН имеют столь же простое подключение к схеме: имеют выводы условно именуемые «Анод» и «Катод». А «универсальные микросхемы» имеют ещё вывод обратной связи «ADJ» или «FB», для подстройки порогового номинала внешним резистивным делителем (вместо встроенного и фиксированного), но от своих же выводов «Анод» и «Катод».

Что лучше: Типовая схема «Рис.1» или Классическая «Рис.2»?

1. Ведь, что такое наклон прямой графика? Это изменяющееся входное напряжение.
2. А что означает «изменение входного напряжения» — это перетекание зарядов, переходные процессы.
3. А переходные процессы — конечны во времени! Следовательно, имеют место «гонки сигналов».
4. А гонки сигналов — нарушают стабильность характеристик переключения Компаратора.

Однако, Vga обратил внимание на важный параметр Компараторов и ОУ: «Input Common Mode Voltage Range» (в datasheet обозначается как: Vicm или Vcmr), учёт которого разительно меняет всю картину:

• Vicm = [0… Vcc-1.5V], при температуре +25°C
• Vicm = [0… Vcc-2.0V], во всём температурном диапазоне

• Компаратор серии «MCP6541,1R,1U,2,3,4» имеет: «Input Voltage Range» Vcmr = [Vss-0.3V… Vdd+0.3V]
• Линейный ОУ серии «MCP6001/2/4» — также, специфицирует: «Common Mode Input Range» Vcmr = [Vss-0.3V… Vdd+0.3V] (и обещает полный «Rail-to-Rail Input/Output»)

• Вот, например, ОУ серии «MCP601/1R/2/3/4» специфицирует: «Common Mode Input Range» Vcmr = [Vss–0.3V… Vdd–1.2V] (т.е. обещают лишь «Input Range Includes Ground»).

Таким образом, абсолютное большинство существующих Компараторов/ОУ (и все традиционные, схемотехника которых рассчитана на широкий диапазон напряжений питания +2..36V) — очень плохо переносят высокие входные напряжения (приближённые к питанию). Хотя, при этом, зачастую хорошо принимают низкие напряжения, вплоть до уровня Земли. Это очень важный аргумент в пользу схемы «Рис.1»!
Наверное, это всё и объясняет: Производители выбирают Типовую схему «Рис.1» для всех простейших Супервизоров — поскольку они предназначены для работы в широком диапазоне напряжений питания, и в особенности для пониженных напряжений (смотри пример на «Рис.5»).

Что лучше: Стабилитрон или ИОН?

10V), и только для характерных пороговых напряжений (что диктуется технологически).

Однако, для Супервизора большие номиналы напряжений не нужны — чаще требуются малые… И вот тут, ограничение: стабилитроны не бывают на очень малые напряжения! До <2.4V — используются только ИОНы (по технологии Бандгап?)
А ещё, по сравнению с ИОН, Стабилитроны гораздо менее точны (разброс параметров в серии, и температурный дрейф)…

Поэтому, для построения Супервизора — предпочтительнее использовать ИОНы.
Хотя, если не требуется большая точность срабатывания (если у вас не супер мощный микропроцессор с узким диапазоном напряжений питания), и если порог срабатывания схемы не очень мал (выше >4V) — то можно использовать и Стабилитрон, как дешёвую альтернативу.

Зачем нужен выходной транзистор Q1?

Этот вопрос лучше задать иначе: Почему на функциональной схеме Супервизора, в datasheet, после ОУ изображён дополнительный выходной каскад на биполярном транзисторе?
Ответ: Нет там никакого ключа! Это условное графическое изображение (УГО) того факта, что выход Супервизора — с открытым коллектором (англ. «Open collector» or «Open-Drain» Output).

Есть одно важное Функциональное Требование: от Супервизора требуется ВЫХОД С ОТКРЫТЫМ КОЛЛЕКТОРОМ. Ведь, одно из самых традиционных применений Супервизоров — это давить шину RESET к Земле (при некачественном питании)…

Как правило, и для большинства выпускаемых Компараторов это так: выход Компаратора напряжений представляет собой «выход с открытым коллектором»!
Почему именно выход с открытым коллектором? Это лёгкий и доступный, и наверное самый простой, способ обеспечить необходимую универсальность применения Компараторов: совместимость выходов логическим уровням TTL и CMOS. А также, для специфических схем, где требуется открытый коллектор: например, соединять выходы нескольких компараторов по «логике ИЛИ»… или вот, подобно Супервизору, для непосредственного подключения к «Шине с открытым коллектором»…

Но не смотря на то, что Компаратор — это разновидность ОУ… Однако, выходные каскады Операционных усилителей (ОУ) — построены по Двухтактной схеме (как в комплементарной логике), и не являются «выходами с открытым коллектором»!
Поэтому, Операционные усилители (такие как LM324, LM358 и LM741), обычно, не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжений, из-за их биполярных выходов (и низкой скорости). Тем не менее, эти операционные усилители могут быть использованы в качестве компаратора напряжений, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор — для того чтобы воссоздать выход с открытым коллектором… (Приятный бонус: использование внешнего транзистора позволит обеспечить бОльший ток нагрузки, чем у обычного компаратора.)

Поскольку условное графическое изображение (УГО) компараторов и ОУ практически не различаются, то на схемах в datasheet, чтобы подчеркнуть факт «открытого коллектора» — специально дорисовывают дополнительный выходной каскад на биполярном транзисторе (с открытым коллектором)…

Какой номинал «эталонного смещения» выбрать?

Теоретически, можно построить всю серию Супервизоров (весь номинальный ряд от и до [Uпорог_min..Uпорог_max]) на одном единственном ИОН, с фиксированным опорным Uref. Единственное условие, здесь: чтобы опорное напряжение было меньше всех, Uref<Uпорог_min<Uпорог_max.

Сразу забрезжили «розовые перспективы»: Для всей серии, внутри микросхемы, использовать один и тот же Стабилитрон/ИОН — отлаженной схемы, исследованных и фиксированных характеристик. А вся подстройка на требуемый порог (Uпорог) осуществляется только подбором резисторов в делителе R1:R2…
Преимущества: Технологичность производства (повторяемость характеристик изделий с конвейера), Простота проектирования и перенастройки оборудования для разных номиналов серии… Температурная нестабильность параметров одинаковая во всей серии (т.к. схема одна и та же).

Но это теоретически… А так ли это здорово практически?

Разбор графиков, ниже, показывает: для повышения точности и надёжности конечного Супервизора — на разные поддиапазоны Uпорогового, следует подбирать своё оптимальное эталонное смещение (Uref)…

4. Методические рекомендации по расчёту Компаратора напряжений в схеме Супервизора

Для настройки схемы Супервизора (точнее, его центрального узла: Компаратора) на конкретный порог срабатывания — первым делом, нужно выбрать оптимальный номинал эталонного смещения: Стабилитрон (dUстаб.) или ИОН (Uref)…

Сперва, разберём Типовую схему «Рис.1» — как самую непонятную, и потому, интересную.

Если есть возможность выбирать номинал Стабилитрона/ИОН (а в схеме на дискретных компонентах такая возможность имеется) то, для повышения надежности работы схемы и чёткости настройки: лучше брать Стабилитрон/ИОН номиналом = [1/2*Uпорог… 3/4*Uпорог], чтобы прямые (1) и (2) на графиках «Рис.4»,«Рис.5»,«Рис.6» сходились под как можно более тупым углом!

• Если взять большое опорное напряжение — это очень сильно ограничит диапазон пороговых напряжений, на которые можно построить Супервизор — потому что требуется: Uref<Uпорог_min.
• Но при слишком маленьком опорном, графики (1) и (2) сходятся уже под таким острым углом, что начинает играть очень большую роль чувствительность входов реального Компаратора/ОУ (см. влияние параметров «Input offset voltage» и «Input offset Drift») — пропорционально, набегает очень большая погрешность измерений входного/тестируемого напряжения питания. Например, пусть Vcc упало на -1V, но при делителе R1:R2 в 1000 раз, Vtest упадёт всего на -1mV.

Рис.4 — Рекомендуемый диапазон выбора dUстаб. для Типовой схемы «Рис.1»:

А теперь, чтобы проверить методику (и себя), рассмотрим самый трудный случай для этой «Типовой схемы» (стабилитрон в верхнем плече): при малом Uпороговом=2V и размахе питания до Vcc_max=16V — замечу, что этот режим достигается и промышленными микросхемами Супервизоров, самыми малыми в серии.

График, ниже, показывает, что углы схождения прямых сохраняются — методика работает… Номинал эталонного смещения, при этом, выбирается из диапазона dUстаб.=[1-1.5V] — конечно, это будет не Стабилитрон (столь малых не существует), но ИОН стандартного номинала 1.25V.

Рис.5 — Пример режима работы при малом Uпор. (самый трудный случай) для Типовой схемы «Рис.1»:

Далее, разберём Классическую схему «Рис.2» — традиционную и понятную, хороший пример для сравнения.

Аналогичный анализ углов схождения графиков для схемы «Рис.2» (классической) показывает, что для повышения надёжности работы схемы и чёткости настройки, рекомендуется использовать Стабилитрон/ИОН с номинальным Uref, также, из диапазона [1/2*Uпорог… 3/4*Uпорог].
И в целом, такая схема выгоднее (стабильнее) — при равных граничных условиях, углы на графике «Рис.6» больше (тупее), чем на графике «Рис.4»… Поэтому, с некоторой натяжкой, допустимо ещё использовать Стабилитрон/ИОН с Uref из диапазона [1/4*Uпорог… 1/2*Uпорог].

Рис.6 — Рекомендуемый диапазон выбора Uref для Классической схемы «Рис.2»:

Здесь, в точках пересечения графиков (1) и (2), соблюдается условие: Vref=Uпорог*R2/(R1+R2)

1. Сперва, выбирается «эталонное смещение» (dUстаб. или Uref) как часть от требуемого Uпорогового,
   ближайшим номиналом из диапазона [1/2*Uпорог… 3/4*Uпорог],
   из доступных в наличии Стабилитронов или ИОНов.
2. Затем, окончательная подстройка точки схождения производится номиналами резисторов R1 и R2.

Примечание к выбору dUстаб. и Uref:
Почему рекомендованы такие ограничения?
Все ОУ плохо работают при входных напряжениях в окрестностях 0V или приближённых к VCC. Поэтому, настоятельно не рекомендуется выбирать точку переключения (напряжение компарации) в верхней или нижней четверти Uпорогового. Т.е. не следует (нельзя) выбирать значение dUстаб./Uref из диапазонов [0… 1/4*Uпорог] && [3/4*Uпорог… Uпорог].

Кроме того, есть и чисто схемотехническое ограничение: Не забывайте о необходимости наличия токоограничивающего резистора R3 (необходимого как Стабилитрону, так и ИОНу). На этом резисторе упадёт ещё очень приличное напряжение! Так что, точка компарации естественно опустится из верхней четверти (для схемы «Рис.2») или поднимется над нижней четвертью (для схемы «Рис.1»)… Слишком уменьшать номинал R3 тоже нельзя — увеличится лишний ток через стабилитрон. (Рекомендации по оптимизации токопотребления схемы — см. в следующем блоке.)

Как следствие, принципиально нельзя отказываться от наличия резистивного делителя R1:R2 по входу компаратора. Не смотря на то, что резисторы вносят дополнительную погрешность измерений, усложняют схему — но точку компарации приходится смещать. Рассмотренные схемы содержат необходимый минимум деталей.

1. В цепи делителя R1:R2 должен протекать ток, как минимум, на порядок больше (в x10 раз), чем входной ток ОУ (который мал, но ненулевой).
2. Аналогично, и для тока через каскад со Стабилитроном/ИОНом… Но тут есть ещё и дополнительное условие: ток должен быть на порядок больше, чем «минимальный требуемый схеме стабилизации ток для выхода на режим» — см. в datasheet:
   • для Стабилитрона — это параметр «Max reverse Leakage Current, Ir»;
   • а для ИОН — это параметр «Minimum Operating current, Irmin».
3. Наконец, если в схеме, после Компаратора, присутствует ещё выходной усиливающе-инвертирующий транзисторный ключ Q1… То базовый резистор этого выходного ключа (ранее обозначавшийся как R4, на первых версиях схем «Рис.1»/«Рис.2») рассчитывается по правилам «Инвертора на биполярном транзисторе» (методика)… Основной тезис здесь: базовый ток должен быть достаточным для уверенного поддержания открытого биполярного транзистора в насыщении, даже при минимальном напряжении питания Vcc_min — это определяет верхнюю границу для номинала R4 (реальный номинал выбирается чуть меньше, но приближённым к границе, чтобы минимизировать нецелевой ток).

Приложение: Улучшение работы Супервизора с помощью ПОС

Рис.7 — ПОС на Компараторе добавляет гистерезис переключения:

Пояснение работы схемы:

Положительная Обратная Связь (ПОС) на Компараторе добавляет гистерезис переключения. (Это как «взрывающийся вертолёт» улучшает любой «экшн» — так и ПОС улучшит любой Супервизор!)

Возьмём за основу Классическую схему, где Стабилитрон подключается от Земли — здесь, к «прямому» входу компаратора подключён каскад резистивного делителя (повезло: гистерезис получится).

Когда выход ОУ в «High» состоянии, то R4 запараллелен с R1 в резистивном делителе (R1||R4):R2.
пусть a=1/(1/R1+1/R4),
тогда Vtest1 = Vcc * R2/(a+R2)

Когда выход ОУ в «Low» состоянии, то R4 запараллелен с R2 в резистивном делителе R1:(R2||R4).
пусть b=1/(1/R2+1/R4),
тогда Vtest2 = Vcc * b/(R1+b)

Итоговая Ширина Гистерезиса: dVtest=|Vtest1-Vtest2|
или dVtest = Vcc * |1/(a/R2+1) — 1/(R1/b+1)|

Таким образом, последняя формула показывает, что величину гистерезиса лучше считать не в абсолютных единицах, а в процентах от Vcc. Кроме того, величина гистерезиса меняется от изменения уровня Vcc (что логично)… Поэтому, нас интересует гистерезис именно в окрестностях порогового значения: Uпорог=3.2V
Например, если подставить текущие схемные номиналы в вышеприведенные формулы, то получим: dVtest=3.7% от VCC, или в абсолютной величине (при VCC=Uпорог) dVtest=0.117V

Только учтите, что данное значение дельты dV — действительно применимо к показателю Vtest (который является малополезным)! Чтобы получить оценку гистерезиса применительно к уровню Vcc, нужно ещё домножить эту дельту пропорционально резистивному делителю: dVcc = dVtest * (R1/R2+1)
Например, если подставить текущие схемные номиналы в вышеприведенные формулы, то получим: dVcc=5% от VCC, или в абсолютной величине для dUпорог=0.16V