圣邦微电子监控产品创新矩阵为系统安全护航

发布时间:2021-04-09

外部世界的不稳定性给电路系统设计者们带来了各种问题和挑战。为了电子系统能够检测到已经或即将发生的系统错误,并在没有或极少人为介入的条件下从故障状态中安全恢复,最大程度减小此类故障的影响,确保系统每次都能正确启动,设计者们推出了一系列特点各异的监控类芯片产品。

以工程师最为熟悉的初代复位监控类产品706和809为例,高度集成的电压监控、复位操作、看门狗定时器、手动复位、电源故障比较器等功能看似普通,但对于很多应用来说,这些基本且易于实现的功能反而扮演着举足轻重的角色,因其为系统带来了更高的可靠性和精确度。



拉开从单一走向系统的大幕

SG Micro Corp


706和809原本是为监控微控制器(MCU)/微处理器(MPU)工作状态而设计的芯片。时至今日,复位监控产品已经发展成为所有模拟产品中最为复杂、最为多样的门类,但令人意想不到的是,这类产品极少用于对MCU进行监控。那么,外部复位监控电路的必要性是取决于MCU的内置复位电路可靠性吗?复位监控产品的应用因何会持续存在且不断变更呢?

我们首先有必要对上述问题做出回答和澄清。

其实,微处理器监控电路是罕见的从出现以来没有多少功能变化的电路。第一款706从1993年上市到现在,不同厂商生产的706除了功耗有所降低,还是当初的概念、功能和性能。当前几乎所有的单片机内置复位监控电路都是良好设计的独立单元,不存在单片机内置复位电路不可靠的问题,因此单一系统运行条件时不需要外加复位监控电路。

然而当系统应用中需要监控的运行条件比较多时,就要考虑使用外部复位监控芯片。例如外置存储器可能跟MCU不在一个电源轨上、一些输入输出单元又在另外的电源轨上等等。任何一个局部问题都会导致系统不正常甚至崩溃,因此需要复位监控电路监控系统的多个运行条件,并协助或依赖可靠的MCU保证系统的正常运行。如此看来,复位监控电路并非只用于监控MCU,并且与MCU的内置复位电路既不重复,也不冲突。

一言概之,简单的、自成体系的嵌入式微处理器可以不使用外部监控电路,但需要外部配合协同工作的应用还是离不开监控电路参与协调调度。微处理器内部电路如果能在更低电压下工作,不会只把低电压工作的特性留给监控部分使用。“豪车摩登也得有手刹,飞机先进还得手工打堰儿”。所以,复杂系统中的微处理器监控电路承担了新的任务:上电伊始尽快强制微处理器复位,直到系统其他部分正常工作再解除强制。

第二个常见误解则与复位延迟有关。即使是慢节奏的MCU,其启动复位过程也不会超过上百微秒。真实系统中的复位时间不是为了让MCU内部重置,而是让受控部分能充分释放应力、回到初始状态,使整个系统有效复位。另一方面,在实际应用场景中,用户的需求,如超低待机功耗、超小封装、喂狗/复位时间可调、分级时序、电压窗口/高压总线监测等等,千差万别,不一而足;同时,由于系统设计日趋复杂,设计人员既希望“即使在发生问题的情况下,系统也能够安全工作或停止”,又需要在产品性能、尺寸、封装类型和价格等多个要素之间进行平衡。如此复杂的影响因素常常让人难以抉择。了解这些,就可以明白为什么复位监控产品的应用持续存在且不断变更。

于是,监控类芯片产品拉开了从传统的单一品类监控向系统级监控转变的大幕。

所谓系统级监控,指的是核心业务功能之外所有用于保障系统运行的监控部分。在系统级监控的概念中,除了最常见的电压电流范围监控和很常见但通常不被识别的时间监控外,还有频率监控、温度监控、湿度监控、凝露监控、接近监控、异常电磁监控、漏电监控、盐雾监控、场强监控和心跳监控等。单电压监控又分为低电压、高电压、AC电压和多种不同封装规格的产品。系统控制概念,通常是指电源排序和功能顺序启动,一直延伸到应管理需要配置的负载开关和热插拔开关、热并入开关。执行机构驱动器(如马达驱动器和电磁铁驱动器)和功率分配/调制电路并不属于系统控制元件。


圣邦微电子的创新矩阵

SG Micro Corp


圣邦微电子从成立起即专注于高可靠应用和复杂系统应用,可靠和系统的基因印在圣邦微电子的所有产品中。依托CMOS工艺和设计的演化,公司全面升级和更新了复位和监控产品,目前全系列均为μA和亚μA级工作的产品,产品规格和封装可覆盖大多欧美系和日韩系产品。

1μA的工作电流,意味着在电源路径上串入1kΩ阻尼的电阻仅导致1mV的电压变化。这种全系列产品向低功耗方向转移的做法,除了可满足电池供电系统和储能供电系统应用外,对简化常规电源供电系统中的监控电压滤波和监控电路自身保护也带来了相当大的便利。

如前文所述,复位监控电路的种类很多,单就电压监控和复位控制来讲就需要用电压范围、输入形式、输出类型、延时类型、适应工作环境和封装类型六个维度来描述。传统做不到用画表填空的方式来准备完整的复位监控产品,为此,圣邦微电子创造性地提出了“创新矩阵”式的产品开发思路,即大量构建经过认证的单元电路,也称为设计构件(Building Block),并在此基础上根据应用需要快速地开发和填补需要的品种,从而实现完整覆盖。

圣邦微电子既有的复位监控产品全面覆盖市场需求。从满足便携、超长待机类产品系统待机功耗需求和喂狗时间可调需求的SGM820和SGM821,到分别满足超小封装、分级时序、高输入电压和多轨分级排序需求的SGM892、SGM895、SGM826和SGM822,再到可满足复位时间、可调需求和低检测电压需求的SGM829、SGM836和SGM89X系列,力争全方位保护客户系统安全。

图1-图3分别展示了圣邦微电子部分带有复位输出、看门狗定时器和电压监测功能的部分监控系列产品。

1.jpg


图1 既有单复位功能器件一览 


图2 既有带看门狗功能的复位器件一览 


图3 既有带电压监测功能的复位器件一览


SGM706微处理器监控电路是圣邦微电子的一款经典产品,具备复位监控、看门狗独立监测、看门狗触发启动、低电平手动复位输入(MR)等完整功能。其中,复位输出保持操作与VCC低至1V;一经激活,如果在1.6s内未切换看门狗输入,则输出复位脉冲(SGM706看门狗功能激活前,系统有充分的时间完成初始化等耗时任务)。此外,还有一个1.25V阈值检测器,用于电源故障警告、电池电量不足检测或监控附加电源。SGM706的升级产品SGM706B,具备更低的待机功耗。

另一款具有代表性的产品是SGM821心跳发生器电路。心跳发生器和看门狗的区别就是看门狗是被动等待MCU喂狗信号,如无喂狗信号则复位系统;心跳发生器是主动计时、到达预定时间后发出信号唤醒MCU(在长时间休眠的系统中,主MCU会关闭自身包括内置看门狗的绝大部分功能),心跳电路用来保证系统能可靠地从深度睡眠状态被唤醒。SGM821亦可用作看门狗,而且喂狗时间在100ms-7200s超大范围内可调;喂狗动作“告诉”心跳发生器系统已在工作中,不必再唤醒或复位系统。此外它的待机功耗典型值为35nA、计时精度典型值为1%。非常适合长时间休眠定时采集/搜集信号的应用(如车载、物联网等)。这与我们的另一款产品SGM800有着鲜明的差异;SGM800通过电容充电过程来实现ms-s时间范围的定时,不具备心跳发生器的喂狗和唤醒功能。心跳电路既可用来提前唤醒系统为预定时间的任务做准备,又可以用来在系统定时错过时触发补救措施或者复位系统。

需要强调的是,监控产品是保证系统运行的角色,它要在系统运行条件边界之外工作,且比系统更加可靠才行。复位是系统管控的一部分,是服务于系统的。它的一个重要特性是必须在其它电路工作之前明确地输出复位,防止系统在不能保证其状态时工作不可控。系统过压后也靠它保证系统处于静态以便提高其抗过压能力。

结语

SG Micro Corp


提供尽可能多的产品覆盖、搭建更完善的监控产品生态,是圣邦微电子赋予自己的职责和使命。如果有多个条件需要监控,无论是单阈值还是多阈值、延时还是不延时、单个监控还是组合排序,任何一种条件组合几乎都可以从圣邦微电子现有产品中找到适用的型号。即便暂时没有合适的型号,也大概率可以利用现有模块快速开发新的型号。

用户需要高质量的模拟设计构件,以及在此基础上创建出的丰富的解决方案和子系统。因此,在这条产品快速迭代和数量指数级爆发的演进之路上,圣邦微电子的创新不会停止,以面向12V/24V/48V高压总线监测应用、窗口电压监测应用为代表的新产品正在研发中,会以更加灵活的方式为所有应用提供适当的功能组合。