自啟動是一項必要但有時很困難的任務，無論是激勵人類、啟動冷車還是為 IC 提供上電復位 （POR）。POR 確保系統以已知和安全的狀態啟動。我們將討論這項技術的幾個誤應用，以及設計人員如何避免啟動問題。

介紹

自我啟動或自我激勵是招聘銷售和現場應用工程師時要尋找的良好品質。另一種自動啟動器是由查爾斯·凱特林發明的，用于汽車。最初，汽車需要手搖曲柄來啟動汽油（汽油）發動機。如果發動機“適得其反”，它可能會向后跑一會兒，摔斷一個人的手、手腕和手臂的骨頭。

同樣，許多集成電路（IC）在上電時需要特殊處理。模擬和數字電路可能需要在啟動時置于可預測的條件下。為此，我們使用通常稱為上電復位（POR）電路的電路。

POR確保在上電期間有有序且可預測的事件序列。例如，在電路中提供偏置電流的電路需要可用且穩定，以確保對電路的正確控制。消費者注意到這種情況的一種情況是在立體聲系統中。接通電源后，音頻可以延遲 10 秒左右，以保護放大器和揚聲器免受大爆裂（瞬態）的影響。為揚聲器供電的放大器通常偏置在電源電平的一半。揚聲器發出的靜音是靜態直流電壓。雖然在上電期間正在建立靜態偏置電平，但可能會突然跳躍，從而導致難看的爆裂聲并損壞揚聲器。這就是為什么精明的發燒友永遠不會冒著在開機的情況下插入和拔出設備的風險。

為什么將電源排序作為 POR 的一部分？

電源排序是一個需要大量解釋的主題。多年前，當三端線性穩壓器上市時，在具有正負電源軌的系統中發現了一個缺陷。如果相反的電壓軌首先出現，穩壓器輸出將被拉向相反的電壓軌。充其量，調節器不會啟動，最壞的情況是它會在一縷縷煙霧中燃燒起來。

隨著制造商建議增加二極管以防止這種情況發生，應用筆記蓬勃發展。很快，制造商將此要求添加到設計定義中，這個問題就不復存在了。也就是說，除非難以或不可能解決，否則一些負穩壓器仍然需要二極管。

創業驚喜派對

帶正電壓調節器

幾年前，如果輸出被拉到地電位以下，精密正電壓穩壓器被發現在所有條件下都無法啟動。該穩壓器系列提供三種溫度范圍的器件：0至+70°C、-40°C至+85°C和-55°C至+125°C。 出于成本原因，一些工程師決定使用0至+70°C范圍。在他們的應用中，他們了解到在特殊情況下該部件可能會超過100°C。由于當零件不運行時不太可能這樣做，因此他們繼續前進。

作為勤奮的工程師，他們通過測試100個零件來檢查他們的概念，同時將它們加熱到135°C。 他們都過去了。產品投入現場后，他們看到了少量軟故障，其中設備會發生故障，但隨后會恢復。

對于實驗室中的“問題”單元，工程師仔細觀察，發現基準電壓源的輸出在關斷狀態下被拉到地電位以下。他們發現，如果2%至3%的基準電壓被加熱到105°C以上，并且輸出端有負電壓，則2%至3%的基準電壓將無法啟動。這顯然是數據手冊外的用途，無論是負電壓還是溫度。當設計師聯系制造商尋求建議時，制造商驚訝地發現零件不僅在熱時啟動。

帶基準電壓源

基準電壓源是一種精密、低電流、低溫度系數穩壓器。在圖1中，基準電壓運算放大器的負輸入（反饋節點）連接到輸出引腳。埋入式齊納二極管或帶隙上方的電阻頂部可以連接到輸入電源、內部功率穩壓器或輸出。電阻也可以表示為電流源。現在，假設正電源關閉，負電壓施加到輸出節點。當上電時，電路可能無法在運算放大器中建立適當的偏置電壓，并且一些內部寄生電容可能會保持充電狀態，從而使電路保持關閉狀態。

圖1.典型基準電壓源的簡化圖。

帶運算放大器

圖2中的運算放大器輸入結構顯示了一個低電流源。IC內部的一些元件通過反向偏置二極管與地和彼此隔離。某些器件具有寄生（未使用的）二極管和晶體管，它們是其結構的一部分。寄生元件在正常使用中偏置，對操作沒有影響。如果該電流源被拉到負，寄生元件可能會正向偏置，從而將器件箝位在非工作狀態。有時寄生器件就像三端雙向可控硅一樣，一直保持開啟狀態，直到電源斷開。在最壞的情況下，這可能會損壞設備。

圖2.運算放大器內部。

帶電容器

在IC內部，增加了用于頻率補償的電容器，以及不需要的雜散電容。這些節點如果在地電位以下充電，可能沒有可用的電流源來為其提供正電荷并允許電路運行。

輸出電路必須偏置以打開頂部晶體管以對外部電容充電。由于負運算放大器反饋節點連接到輸出，因此輸出必須上升到線性操作，電路才能正常工作。大多數IC具有靜電放電（ESD）保護。這通常由二極管和齊納二極管組成，如圖3所示。

圖3.典型的ESD結構保護集成電路的其余部分。

有靜電放電問題

ESD保護是必要的，因為高電壓會損壞IC。如果電壓高于IC制造工藝的絕對最大額定值，有源元件將進入齊納模式。然后，隨著電流的增加和元素進入雪崩模式，它們最終會分解，吸收巨大的電流并融合硅。負方向的電壓大于絕對最大值也會消耗過多的電流并損壞IC。

帶隙基準電壓源

如圖4所示，帶隙基準電壓源也存在啟動問題。帶隙由兩個具有不同電流的正向偏置半導體組成。一條路徑中的反轉會導致兩個電流在設計點處平衡。一條路徑產生具有負溫度系數（tempco）的電壓，另一條路徑產生正溫度系數。

圖4.常見的帶隙配置。

選擇工作點，以便差值將產生與絕對溫度（PTAT）成比例的信號。完美的設計不會有電壓隨溫度的變化。遺憾的是，運算放大器將在兩點上保持平衡和穩定：設計電流和零電流。但是，在零電流下，沒有任何東西可以告訴電路以哪種方式進行伺服或校正。

帶隙參考電壓源計算器有助于設計和分析Brokaw帶隙基準電壓源電路。它計算所有電路參數和輸出電壓作為結溫的函數。仿真了修整和二階曲率校正的一階效應。

解決 POR 問題

圖1中的基準電壓源之所以有效，是因為有一個單獨的啟動電路，當電流為零時，該電路會使兩條帶隙路徑中的電流不平衡。它在室溫下工作并在較熱的溫度下失效的事實證明，啟動電路在熱時“弱”，其中漏電流較高。因此，設計人員必須在構建太弱（可能無法啟動）和太強（影響正常工作）的啟動電路之間創建一個中間地帶。從帶隙開始是一個難題，該主題有數十項專利。

在這種情況下，修復可能非常簡單。假設泄漏負電壓的電路無法固定，我們將箝位基準的輸出。IC內部現有的ESD二極管是硅的（圖3），因此它們自然地將負電壓箝位在0.6V至0.7V（或者可能有兩個串聯二極管箝位在1.2V）。在基準輸出端添加一個小的肖特基二極管。在正常工作中，二極管將反向偏置并脫離電路。圖5所示的反向漏電流可以忽略不計，但由于肖特基二極管確實會泄漏，因此必須加以考慮。室溫下的正向電壓約為240mV，隨著溫度的升高（在相同的電流下），正向電壓下降，如圖5所示。

圖5.典型的肖特基二極管數據手冊參數。

這可能會解決熱啟動問題。要對其進行測試，請找到在給定溫度下失效的基準電壓源。將基準電壓源的輸出從烤箱中取出。如果有射頻拾音器，一小段同軸電纜效果很好。一英尺同軸電纜的 20pF 在 DC 不是問題。在基準電壓關閉的情況下測量基準電壓輸出。注意負電壓（有時IC內部有兩個ESD二極管串聯）。假設它是-1V。接下來，連接一個硅二極管（如1N4747）將電壓箝位在0.6V。引用是否開始？將兩個肖特基二極管串聯（室溫下為0.52V）。引用是否開始？在電路中放置一個肖特基二極管（室溫下為0.24V）。現在引用開始了嗎？加熱肖特基或將其放入烤箱 - 參考開始嗎？通過逐步嘗試啟動限制是了解起始保證金的好方法。

增加肖特基二極管的結果減少了基準輸出被拉到地電位以下的量。隨著溫度的升高，肖特基二極管的正向電壓下降，緩解了這個問題。測試證明，添加肖特基二極管可以保護基準電壓源免受負電壓的影響，并允許其在高溫下啟動。

POR以多種方式使用，以確保正常運行。例如，Maxim MAX6029基準電壓源基于帶隙基準電壓源。此時，基準電壓源僅在適當的工作電壓下穩定。正如我們在帶隙基準部分所討論的，帶隙將在兩點上平衡并穩定：設計電流和零電流。這對于確保器件啟動并避免零電流情況是絕對必要的，因此設計人員花費大量時間仿真具有電壓、溫度和工藝變化的電路。在MAX5134四通道16位數模轉換器（DAC）中，POR功能將器件初始化為已知條件。MAX5134可以復位至零或中間電平。根據應用的不同，這是一個重要的系統安全因素。如果正在控制電機，如果在通電期間允許隨機移動，則有人可能會處于危險之中。該硬件POR獨立于任何軟件控制，并允許安全操作，直到系統軟件可以接管精確控制。此外，POR工作在MAX5482非易失數字電位器中。光纖通信和電源等系統需要在最終生產測試期間進行校準。MAX5482允許記憶1024個不同的抽頭或電壓點之一。POR 會在電源打開時自動調用校準設置。

結論

自啟動可能很難做到，無論是自啟動的人、冷車還是 IC。POR 確保系統以已知和安全的狀態啟動。有時，IC制造商的工程師可以在客戶以設計工程師從未打算過的方式使用零件時為他們提供幫助。為了獲得最佳結果，制造商建議遵守數據手冊參數，原因很明顯：這些是IC設計人員用于創建器件的參數。

審核編輯：郭婷