500nA电源监控器延长便携式应用电池寿命

摘要：通过实际应用电路展示，介绍了采用LTC2934和LTC2935超低功率监控器提供准确电压监视和微处理器控制，从而实现便携应用电池寿命的延长。

关键词：电源监控器；电池寿命；电源管理；LTC2934；LTC2935

引言

在电子设备(特别是电池供电型产品)的设计中，功耗是一项重要的问题。对于电子设备设计师而言，面临的难题是如何在不显著缩短设备电池运行时间的情况下增添功能。例如，拆开任何一部时尚的便携式设备，您将会发现，不少集成电路即使在处于空闲状态的时候也会消耗一定的电流。应尽量地减小嵌入式电路的静态电流和工作电流(以最大限度地延长应用的电池工作寿命)，这一点很重要。

有的时候，在弱电池电压条件下，当接通设备时，您可能只会发现它没有任何反应，并且在其上电序列过早终止之后被部分配置。避免发生该问题的一种方法是采用功率需求极低的电源监控器来监视系统电源，从而使得它们即使在电池电量消耗非常之大的情况下也能够做出响应。LTC2934和LTC2935超低功率监控器在设备工作的所有相位期间均提供了准确的电压监视和微处理器控制。系统初始化、电源故障预警、手动复位和上电/断电复位发生等功能都被内置于器件之中，因而仅需从电源吸收区区500na的电流。

电源电压上升：启动很重要

在电源上电的过程中需要控制器件的启动，这一点很重要。LTC2934/35上电复位(POR)功能提供了电压监视和逻辑控制，用于防止在电源电压不足的情况下起动微处理器。PRO功能还产生了一个延时，以为电源电压的稳定提供少许余量。该延时也使得一个处理器振荡器能够起振，并在允许微处理器执行编码操作之前达到一个稳定的频率。

来自监控器的复位输出丽通常连接至微处理器的复位输入。在系统启动期间，监控器把丽输出保持于低电平。当电压达到一个规定的最小值时，内部复位定时器将开始运行，并另外再把丽输出保持于低电平达一定的时间(通常为200ms)。当复位定时器终止操作时，RST出被拉至高电平，并把微处理器从其复位状态中释放出来。

图2示出了从图1所示的典型应用电路获得的电源上升波形。当Vcc超过了电源故障门限+2.5％迟滞(3.192V×1.025=3.272V)时，允许把电源故障输出(PFO)拉至高电平。LT3009(一款3μA LDO)从Vcc来供电。由于PFO输出由LDO输出来上拉，因此PFO将跟随LDO。当LDO输出超过了复位门限+5％迟滞(1.696V×1.05=1.781V)时，内部复位定时器开始运行。在200ms之后，丽被拉至高电平，而且，与丽相连的系统逻辑电路从其复位状态中释放出来。

电源电压下降：注意预警

非受控的电源丢失会引发许多的系统问题。LTC2934和LTC2935包含一个电源故障逻辑输出(丽)，将其拉至低电平，以对即将发生的电源丢失提供预警。预警应在被监视电源的电压下降至不足电平之前(以及远远早于RST出被拉至低电平的时候)提供，这样才能发挥效用。PFO和RST被拉至低电平之间的时间可用于在停机之前启动多项关键的操作。当监控器把微处理器复位拉至低电平时，就有可能无法执行操作。由电源故障报警信号所启动的操作包括：关断非关键元件(以保存能量)，并把重要的数据写入存储器。有些安全应用可能还会要求将数据删除，从而不给存储器窥探者以可乘之机。

图3示出了从图1所示应用电路获得的电源下降波形。这些波形示出了当VCC突然从系统断接时，丽是如何提供具有足够提前量的报警的。在1.8V电压条件下，LT3009将向一个负载提供10mA的恒定电流。当Vcc(标称值为4.1V)被断按时，100μF输入电容器开始放电。电源故障门限被配置为3.192V。

由于电源故障条件继续存在，而不仅仅持续很短的时间，因此，逻辑输出丽将被拉至低电平，并在一个小的比较器延迟之后保持低电平状态。在这个时候，系统逻辑电路(通常连接至丽)应采取适当的停机动作。在该应用中，在电源故障发生之后剩余的工作时间大约为10ms。最后，VCC变得非常之低，以至于LDO将开始出现压降。在LDO输出降至复位门限(1.696V)以下之后不久，RST将被确定为低电平。此时，系统负载被移除，而且LDO输出开始恢复。不过，剩余的负载和内置迟滞将会防止LDO的恢复对RST出产生干扰。

选择固定或可调门限

LTC2935集成了8对精准的复位和电源故障门限。采用3个数字选择输入来配置8对门限中的任何一对(见表1)。采用LTC2935的典型应用电路不需要额外的外部元件。因此，解决方案所占用的板级空间极小，而且功率极低。

当需要定制(可调)门限时，可采用LTC2934。LTC2934用于监视施加在其PFI和ADJ输入端上的电压(一般是通过一个外部阻性分压器来完成)。外部分压器的电阻值可以很大，这有助于保持低电流。因输入漏电流(在整个温度范围内的最大值为lnA)而引起的分压器误差往往非常小，根本不用担心。PH和ADJ输入具有精准的400mV门限(下降)，所以可进行低电压监视。LTC2934和LTC2935的下降门限准确度均为±1.5％(在整个工作温度范围内)。最小Vcc很低，仅为1.6V。

手动复位和复位定时

LTC2934具有两种可选的复位超时周期。把RT输入连接至低电平，选择的是一个15ms超时，而把RT输入连接至高电平则选择的是一个200ms超时。LTC2935具有一个200ms的固定超时。这两款器件均具有一个手动复位输入，当MR输入被拉至低电平时(通常利用一个开关来完成)，该手动复位输入将把RST确定为低电平。MR输入具有一个连接至Vcc的内部900k上拉电阻器，用于在开关开路时对丽输入执行上拉操作。或者，也可以利用一个外部逻辑信号来把MR输入拉至低电平。当MR输入恢复高电平时，RST在复位超时周期结束之后被拉至高电平(假设被监视的输入电压高于复位门限)。

监视一个两节层叠锂离子电池

有些便携式应用使用一组电池来实现较长的产品工作寿命。对于采用两节层叠4.1V锂离子电池(或相似电池)的产品，总层叠电压(8.2V)超过了LTC2934的最大工作电压(5.5V)。然而，如果两节层叠电池的中心抽头是可用的话，那么仍然能够监视电池。图4示出了采用层叠电池的中心抽头来对LTC2934施加偏压的方法。在电源故障输入端(PFI)上对总层叠电压进行监视。该应用电路被配置成在电池电压之和降至6.00V以下时把PFO输出拉至低电平。可调输入(ADJ)负责监视LDO输出。当LDO输出降至3.00V以下时，RST输出将被拉至低电平。

非常充裕的迟滞

某些应用电路在加电时将产生一个很大的负载瞬变。如果电池的串联电阻很大，那么这种瞬变就会导致电池电压显著地下降。如果负载在复位输出被拉至高电平之后启用，则随后出现的电压降有可能把Vcc监视器输入端上的电压置于门限以下，从而导致复位和电源故障输出被拉至低电平。在这样的场合中，采用有源门限控制(如图5所示)是有帮助的。LTC2935的电源故障输出(PFO)可用于改变任何(或全部)门限控制输入状态(S2、S1、S0)。电源故障比较器门限始终高出复位门限达150mV，而且，电源故障输出并不经历200ms的复位超时延迟。如果电源故障输出在复位输出之前被拉至高电平(对于上升电源而言情况几乎总是这样)，则它将可被用来把下降门限降至其他7种门限选项之一。在图5中，复位下降门限从3.3V(PFO为低电平)变至2.25V(丽为高电平)，这提供了一个1.05V的充裕下降迟滞。

结语

LTC2934和LTC2935监控器所需的500nA电流非常之小，因而可被置于器件功率预算的“无关”列之中。尽管功率很低，但这些监控器并未舍弃功能。上电复位和电源故障预警信号为系统逻辑电路提供了无干扰的逻辑控制。复位延迟时间是内置的。这两款器件均具有手动复位功能。这些监控器的配置很容易，而且所需的外部元件极少。超低的输入漏电流规格使得高性能应用成为可能。