使用比較器進(jìn)行電壓監(jiān)控

為什么監(jiān)控電壓很重要

無論是簡單還是復(fù)雜的設(shè)計，任何系統(tǒng)都必須具備監(jiān)控電壓的能力。在模擬領(lǐng)域，電壓是我們系統(tǒng)的解碼器。我們從監(jiān)控電壓中獲得的信息可用于保護(hù)我們的系統(tǒng)和排除故障。實現(xiàn)電壓監(jiān)控的方法多種多樣，但具有成本效益的方法是使用比較器。

比較器簡介

有關(guān)比較器的簡要介紹，請參閱比較器概述。簡而言之，比較器是一種將輸入電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較并根據(jù)輸入電平設(shè)置輸出電壓的器件，如圖 1 所示。

圖 1 同相比較器配置

對于同相配置，如果輸入電壓大于基準(zhǔn)電壓，則比較器輸出為高電平或邏輯 1。當(dāng)輸入電壓小于基準(zhǔn)電壓時，比較器輸出為低電平或邏輯 0。表 1 展示了反相配置中輸出的反向情況。比較器很簡單，因此常用于集成式解決方案（例如電壓監(jiān)控器和復(fù)位 IC）的構(gòu)建塊。因此，也可在標(biāo)準(zhǔn)比較器設(shè)計中找到集成式解決方案的許多基本功能，如多通道監(jiān)控和內(nèi)置遲滯。比較器和監(jiān)控器中提供的功能示例如表 2 所示。

比較器與電壓監(jiān)控器

哪些因素決定了是比較器還是電壓監(jiān)控器更適合電壓監(jiān)控？如果有一個時序元件要求在觸發(fā)器件前延遲輸出，那么電壓監(jiān)控器是實現(xiàn)此功能的簡單方法。盡管可以通過比較器實現(xiàn) RC 時序延遲，但集成這些元件所帶來的便利性使電壓監(jiān)控器成為更具吸引力的選擇。

對于其他電壓監(jiān)控應(yīng)用，比較器可提高設(shè)計的靈活性。電壓監(jiān)控器會強(qiáng)制設(shè)計人員使用已存在基準(zhǔn)配置的設(shè)置。這意味著，如果系統(tǒng)需要 1.8V 基準(zhǔn)，但正在使用的監(jiān)控器具有固定的 1.2V 基準(zhǔn)，則必須在 BOM 中添加另一個具有 1.8V 內(nèi)部基準(zhǔn)的監(jiān)控器。系統(tǒng)開始需要更改的設(shè)置越多，BOM 數(shù)量增加的越多。使用標(biāo)準(zhǔn)比較器，可以將基準(zhǔn)電壓調(diào)整到所需的任何電壓。這樣就使 BOM 易于管理，因為同一個器件可用于多個用例和實例，并且重新驗證新器件所花費的時間更少，從而加快了設(shè)計迭代速度。

適用于電壓監(jiān)控應(yīng)用的比較器分級

從標(biāo)準(zhǔn) SOT-23 到無引線納米封裝，比較器有多種不同的規(guī)格和尺寸。對于高速應(yīng)用，請使用傳播延遲較小的比較器。對于功耗敏感型設(shè)計，請考慮使用具有低靜態(tài)電流的比較器，例如 TLV70xx 系列器件。支持 36V 電壓的商業(yè)級雙路標(biāo)準(zhǔn)比較器 (LM393B) / 工業(yè)級雙路標(biāo)準(zhǔn)比較器 (LM2903B) 和支持 40V 電壓的 TLV18xx 器件用于高電壓電池監(jiān)控應(yīng)用。同樣，具有 1μs 延遲的 5.5V 低壓標(biāo)準(zhǔn)四通道比較器 (LM339LV)/1.65V 至 5.5V 低壓雙路商用比較器 (LM393LV) 和 TLV90xx 器件非常適合滿足 ≤ 5V 的電壓需求。對于需要更高精度的空間受限型系統(tǒng)，請使用具有集成基準(zhǔn)的比較器。比較器產(chǎn)品選型頁面上對這些特性進(jìn)行了篩選，以幫助您查找適合您的設(shè)計需求的器件。

使用帶有外部基準(zhǔn)的比較器進(jìn)行電壓監(jiān)控

使用比較器來監(jiān)控電壓和電源軌的主要優(yōu)勢是可以自行指示跳閘點。通過外部基準(zhǔn)器件（例如可調(diào)節(jié)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器 (TL431) 或由兩個串聯(lián)電阻組成的分壓器）來設(shè)置跳閘點。在圖 2 所示的反相配置中，電阻器 R1 和 R2 用于設(shè)置比較器的電壓基準(zhǔn)。通過控制 R1 和 R2 的幅度，您可以根據(jù)所需的跳閘點自定義比較器閾值。根據(jù)信號的電壓，可使用額外的電阻器對輸入電壓信號進(jìn)行分壓。

圖 2 使用電阻器創(chuàng)建外部基準(zhǔn)

電阻器成本相對較低且易于采購，因此比較器可重新用于不同的電壓監(jiān)控需求，例如過壓、欠壓及反向電壓監(jiān)控和保護(hù)。請參閱采用比較器的過壓保護(hù)電路、采用比較器的欠壓保護(hù)電路和在反向電流應(yīng)用中使用比較器，以了解其他比較器電壓監(jiān)控應(yīng)用。

創(chuàng)建窗口比較器

要確定電壓信號是否介于兩個基準(zhǔn)電壓之間，請將兩個開漏比較器并聯(lián)，如圖 3 所示。請注意，該配置仍利用外部電阻器來設(shè)置比較器的上限和下限，并且可以使用兩個單通道比較器或一個雙通道比較器來實現(xiàn)。有關(guān)如何使用比較器制成窗口電壓檢測器的更多詳細(xì)說明，請查看窗口比較器電路文檔。

圖 3 窗口比較器配置

使用比較器創(chuàng)建多級電壓檢測電路

在圖 4 中所示的早期警告檢測配置中，通過將三個串聯(lián)電阻與兩個比較器并聯(lián)來監(jiān)控多個跳閘點處的電壓。當(dāng)輸入電壓超過比較器一和二的設(shè)定閾值時，比較器的輸出用于在發(fā)生強(qiáng)制關(guān)斷之前首先打開警告燈或警報。

圖 4 多級電壓檢測電路

或者，如果時間不是重要因素，則此類配置用于雙相電壓應(yīng)用，其中第一個比較器用作在超過第二個比較器閾值時結(jié)束的事件的觸發(fā)器。

以比較器的電源電壓為基準(zhǔn)進(jìn)行電壓監(jiān)控

創(chuàng)建比較器閾值的另一種方法是使用穩(wěn)壓電源作為電壓基準(zhǔn)。這樣，您就可以充分利用系統(tǒng)中現(xiàn)有的元件，而不會在成本和空間方面產(chǎn)生額外的支出。圖 5 展示了一個欠壓檢測電路，該電路使用 4 引腳毫微功耗微封裝低電壓比較器 (TLV7081)，并具有將比較器的反相輸入引腳連接到正電源引腳的內(nèi)部配置。這種布局通過具有標(biāo)準(zhǔn)引腳排列的比較器進(jìn)行復(fù)制，只需以與圖 5 類似的方式將輸入引腳連接到電源即可。

圖 5 使用 TLV7081 進(jìn)行電壓監(jiān)控

僅當(dāng)電源不超出比較器的輸入共模范圍時，該電源才能用作基準(zhǔn)。由于大多數(shù)比較器輸入可以處理高達(dá) 5V 的電壓，因此這個問題主要在電壓較高時存在。對于這些更高的電壓軌，請考慮使用 TI 的 TLV18xx 40V 比較器系列。TLV185x 和 TLV186x 比較器不僅支持 40V 的電壓，而且具有失效防護(hù)功能，并且具有內(nèi)部反向電池/極性保護(hù)電路。由于 TLV185x/6x 器件具有失效防護(hù)功能，因此這些器件可獨立于電源處理高達(dá) 40V 的電壓尖峰。內(nèi)部反向電池保護(hù)還意味著 TLV185x/6x 直接連接到電池，如果電池電壓的極性因任何原因發(fā)生變化，比較器的輸入引腳保持不變。借助這兩個特性，能夠?qū)?TLV185x/6x 直接連接到 ≤ 40V 電源并使用電源作為基準(zhǔn)電壓。

使用帶有集成基準(zhǔn)的比較器進(jìn)行電壓監(jiān)控

圖 6 使用比較器 + 外部基準(zhǔn)進(jìn)行欠壓檢測

圖 7 使用集成基準(zhǔn)比較器進(jìn)行欠壓檢測

TI 有品種繁多的集成基準(zhǔn)比較器可供選擇，包括具有集成基準(zhǔn)的 36V 比較器 (TLV6713)、具有集成基準(zhǔn)的 36V 高電壓比較器，以及具有外部可用基準(zhǔn)引腳的 TLV301xB 系列。對于空間受限或?qū)β屎纳⒚舾械脑O(shè)計，使用外部電阻器來設(shè)置電壓閾值并不是理想選擇。對于此類系統(tǒng)，適合使用具有集成基準(zhǔn)的小尺寸比較器，例如 0.73mm x 0.73mm DSBGA 具有基準(zhǔn)電壓的低功耗比較器 (TLV4041R5YKAR)。如圖 7 所示，當(dāng)比較器 + 電壓基準(zhǔn)被集成基準(zhǔn)比較器取代時，圖 6 中的欠壓檢測電路變得更簡單、更緊湊。表 3 顯示，通過使用集成基準(zhǔn)比較器，您能夠?qū)㈦妷簷z測電路占用的空間減小約十分之一，并將能源消耗減少 90%。

使用集成基準(zhǔn)比較器進(jìn)行電壓監(jiān)控的另一個優(yōu)勢是精度。TI 的大多數(shù)集成基準(zhǔn)比較器在整個溫度范圍內(nèi)具有 1% 的基準(zhǔn)精度，可以精確地監(jiān)控電壓軌。隨著越來越多的國際功能安全標(biāo)準(zhǔn)（例如 IEC 61508）的制定，對更高精度電壓監(jiān)控的需求不斷增長。向設(shè)計中添加外部元件會引入額外的噪聲，該噪聲已在內(nèi)部基準(zhǔn)比較器設(shè)計中納入考慮范圍。當(dāng)您在系統(tǒng)中處理更高的電壓時，這種額外的噪聲可能會成為問題。

具有集成基準(zhǔn)的窗口比較器和多級電壓檢測

集成基準(zhǔn)比較器也簡化了窗口比較器和多級電壓檢測電路。TI 的 采用集成基準(zhǔn)的低功耗窗口比較器 (TLV6700) 和采用集成基準(zhǔn)的低功耗高電壓窗口比較器 (TLV6710) 比較器是使用窗口比較器配置設(shè)計的 18V 和 36V 雙路比較器，如圖 8 中的功能方框圖所示。

圖 8 使用窗口比較器 TLV6700/6710 進(jìn)行電壓監(jiān)控

如圖 9 所示，具有集成基準(zhǔn)的雙路推挽比較器 (TLV4062) 和具有集成基準(zhǔn)的雙路比較器 (TLV4082) 是一對雙通道比較器，其內(nèi)部配置與圖 4 類似，允許構(gòu)建更簡單的多級電壓檢測電路。

圖 9 使用 TLV4062 和 TLV4082 進(jìn)行多級電壓檢測