技术丨如何使用电源监控器优化电池供电解决方案

电池供电应用场景较为普遍，涵盖便携式仪器仪表设备、可穿戴设备、便携式医疗设备和工业电池供电解决方案。日常涉及的产品有手机、平板和笔记本电脑至智能手表、健身跟踪器、流量计或血氧仪以及其它即时检测诊断和监测生命体征的便携设备。电池的重要性毋庸置疑，优化电池供电解决方案也备受欢迎。

以电池为电源对设备进行供电面临的挑战包括性能、外形尺寸、散热和电池寿命等，设计者总是在寻求具备出色性能，较小尺寸、超低功耗的解决方案。
系统工程师通过优化功率调节来获得出色的高效电池供电解决方案。本文阐述了常见的电池供电应用和挑战，讨论了电源监控器的基本功能及特性，重点介绍了ADI电源监控器特色产品的优势以及值得关注的常见规格，最后提出了如何使用电源监控器优化电池供电解决方案。

电源监控器产品概述

电源监控器对系统内的电压轨进行监控，确保系统工作时处于正确的电平状态下，避免不符合规格的电压导致性能问题或系统故障。如果电压轨低于或高于预定阈值，电源监控器将置位信号来启用、禁用或复位其他设备，这些设备通常是微处理器或微控制器。

图1所示3.3V电压给微控制器供电而受到监控，一旦检测到该电压轨低于预定阈值（假定复位阈值为2.93V），电源监控器将向微控制器发出复位信号，在电压恢复前保持复位模式状态。电源供应恢复后，还将添加复位超时周期以确保电压已稳定且回到正常工作状态。

电源监控器的选择依应用不同而略有不同，产品区别大抵有几个方面：输入阈值精度、可调阈值、低电源电流、可调时间延迟、小封装尺寸和可编程能力。

电源监控器的主要规格

监控通道数：有单通道和多通道电源轨监控
工作电流/电压：一些应用可能需要更宽或更高的电压范围能力。对于大多数电池供电解决方案来说，低电源电流有利于降低功耗，从而延长电池寿命
电压阈值：根据所监控的电压轨，理想情况下，对于欠压检测，阈值稍低些。电压阈值的设定形式多样，有些器件提供固定值，有些出厂设定，有些使用电阻分压进行调节，有些根据系统要求进行编程
阈值精度：数据手册通常用百分比值指示，表示与指定阈值电压的偏差。例如，2.92V阈值可能有1.5%上下的偏差，偏差百分比越低，电源监控器的精度越高
复位超时时间（复位时间延迟）：指在上电或恢复期间电压达到所需值后的时间延迟，需要确保在系统回到正常运行状态之前电源供应已稳定
封装：电源监控器产品系列具有多种封装，如WLP封装，多通道器件采用6引脚SOT封装，对于小巧外形的便携式设备来说小尺寸极其重要

电源监控器的附加特性

手动复位：此功能便于用户或外部逻辑电路启动复位，与连接到按钮开关的MR引脚相似。包括可在工厂编程的手动复位输入可配置为接收到上升沿、下降沿、低电平有效或高电平有效输入时置位复位，系统开发人员可根据应用进行选择

看门狗定时器：用于监视微处理器活动，若处理器停止或陷入无限执行循环时通过置位复位或不可屏蔽中断进行适当操作

电源故障比较器：监视可能的电源故障，输出信号是独立于复位引脚的不可屏蔽的中断信号，为受监控电源轨中即将发生故障提供早期预警

窗口检测：确保被监控的电压在指定范围内运行，当受监控信号高于过压阈值时，窗口检波器会置位输出复位信号，因此为系统提供一层额外的保护

ADI电源监控器特色产品及优化电池供电解决方案用例一NanoPower电源监控器

NanoPower产品的电源电流或静态电流一般小于1uA，故而大幅降低了系统整体功耗，延长了电池使用时间。极低的电流适合便携式电池供电设备，常见应用包括物联网、便携式医疗设备和设备上的人工智能。

图2示例了电池供电的物联网设备应用系统，ADM8615监控MCU 供电轨，当电压进入欠压状态后，ADM8615触发MCU复位信号。该功能从MCU监控软件执行，也可针对检测到的任何故障触发复位。ADM8615具备看门狗特性，仅消耗92nA静态电流。

1.1. ADM861X系列

表1列出了具有手动复位和看门狗定时功能的超低功耗 ADM861x系列。

低电压监控：ADM8612和ADM8615监控低至0.5V的低电压。
手动复位：ADM8611/ADM8612/ADM8613和ADM8615具有手动复位特性，通常连接到外部信号以便在超过监控电压范围时手动触发复位，通过WDI引脚监控微处理器。ADM8613和ADM8614支持看门狗禁用输入功能。
看门狗定时器：ADM8613/ADM8614/ADM8615带有看门狗定时器，ADM8614具有看门狗超时扩展输入，支持将看门狗超时周期从1.6秒延长至100秒。

以上这些器件具有极低的功耗，适合于便携式设备、电表、电能计量等这样能效比敏感和所需电压较低的应用和系统。采用6极点、1.46mm x 0.96mm WLCSP封装，额定温度范围为-40°C至85°C。
表1. ADM861X系列

一般而言，监控低电压并易事，电压过低时，传统电源监控器无法保证正确的复位输出状态。图3电压流向为电池Battery >buck/boost->1.8V->LDO->0.85V、1V或1.2V，通过MAX16162进行监控。此产品具有无尖峰脉冲启动，静态电流低至825nA，采用小巧的WLP封装。VCC为0V时，通过复位引脚同步电流，这样既保证了电源电压为零时复位的有效状态，又提供了无毛刺上电操作。图3右下角所示为传统电源监控器与无毛刺电源监控器示意，在电源上升期间无毛刺电源监控器的复位保持低电平。

1.2. MAX16161/MAX16162

这是毫微功耗、单通道监控电源监控器。MAX16161具有手动复位（MR）输入，监控电源电压并在输入电压低于复位阈值时强制复位。在监控电压上升到出厂设置阈值电压（VTH）以上后，复位输出在复位超时周期内保持有效，然后设为无效。这让目标微控制器或微处理器可离开复位状态并开始运行。额定温度范围为-40°C至125°C，采用微型 1.06 x 0.73mm、4引脚WLP封装和4引脚SOT23封装，MAX16162提供5引脚SOT23封装。

搜索NanoPower电源监控器器件，可登录网站 www .analog.com- > 产品 -> 电源监视器、控制器和保护 -> 监控电路->

“产品选型表”->“Isupply”或电源电流列（输入所需的值范围，或者右键单击列标题，将值从低到高或从高到低排序从而筛选器件）

“相关资源” -> “探索所有资源”->在“探索”下选择“Voltage Monitors and Supervisors Product Highlights” Voltage Monitors and Supervisors Product Highlights (analog.com

集成看门狗定时器的电源监控器

使用集成看门狗定时器的电源监控器监控微处理器或微控制器中的软件执行，是优化电池供电解决方案的另一种方式。如果微处理器陷入无限执行循环，则会通过置位复位或不可屏蔽中断的方式来采取合适的操作。看门狗输入引脚或WDI上每次由低到高或高到低逻辑变换时都会使定时器电路清零，如果定时器在预设的看门狗超时周期（PWT），复位输出则会置位。为了避免复位，微处理器必须切换WDI引脚。如果微处理器未能在超时周期内切换WDI引脚则表示发生代码执行错误，产生的复位脉冲以已知状态重新启动微处理器。

对于直接连接或影响人体的电池供电医疗设备，安全、可靠和准确至关重要，比如使用胰岛素泵时胰岛素过量或不足或电源故障等风险的。集成看门狗定时器的电压电源监控器为系统的电源和软件部分构建简单高效的可靠性特性，当看门狗定时器检测到微控制器的任何代码执行错误时，可以立即采取适当的操作。

2.1. ADM861x系列

此系列为NanoPower电源监控器，如前所述具有极低的电流。

2.2. MAX16152/MAX16153/MAX16154和MAX16155系列

正常工作期间，WDI输入在选定的超时周期或PWT内经历由高到低的有效逻辑变换时内部定时器会清除并重新启动。若WDI输入在选定的超时周期内选通或切换，WDO则保持高电平；若WDI输入在超时周期到期之前未选通，看门狗输出为看门狗输出脉冲宽度或TWDO置低。此系列典型电源电流为400nA，复位阈值电压介于1.5V至5V，步长为100mV，MAX16152/ MAX16154采用0.86 x 1.27mm 6引脚WLP封装，MAX16153和 MAX16155采用6引脚SOT23封装，所有器件的工作温度范围均为-40°C至135°C

2.3. MAX16056/MAX16057/MAX16058/MAX16059

该系列具有极低的静态电流，典型值约为125nA，可监控单个系统电源电压，提供多个经出厂调整的复位阈值电压，电压介于 1.575-4.625V，增量约为100mV。这些器件提供推挽或漏极开路低电平有效复位输出，具备使用外部电容调节的复位超时和看门狗超时。MAX16056/MAX16058是唯一包含看门狗定时器的器件，MAX16056和MAX16058采用8引脚TDFN封装，MAX16057和MAX16059采用6引脚TDFN封装，额定汽车级温度范围为-40°C至125°C。

图4为将MAX16056用作可编程振荡器示例，用此器件可以节省电能，因为它们的功耗比集成振荡器低得多。WDI接地而非连接到微处理器，看门狗将始终触发，在输出端创建脉冲并通过两个外部电容设置时序。当复位为低电平时，MOSFET导通并向系统供电；当复位为高电平时MOSFET关断，在此期间系统不消耗任何功率。对于可定期进入休眠状态的系统，这些特性及其有用。

图5是使用CMOS 555定时器和MAX16056构建的振荡器性能比较。使用行业标准CMOS 555定时器构建的类似电路需要约50uA的电源电流，典型CR2016纽扣电池的容量为80mAh，因此，555定时器电路可持续使用60天左右。相比之下，MAX16056电路电流消耗为0.125uA，其使用寿命远远超过电池的10年贮藏寿命。

若要搜索集成看门狗定时器的电源监控器，可通过如下路径：www .analog.com-> 产品 -> 电源监视、控制和保护 -> 监控电路->

集成看门狗定时器的电源监控器或直接在官网首页搜索“监控电路（Supervisory Circuits）”。快速搜索对于缩小选择范围非常实用，还可以用于设置电源数量、阈值精度或所需的温度范围。

带有电源故障警告的电源监控器

带有电源故障警告的电源监控器是优化电池供电解决方案的一种措施。电源故障警告可预警电源故障并向微处理器发出提醒，是微处理器监控电路中的一个特性，通常表示为PFI（电源故障输入）和PFO（电源故障输出）。

图6为电源故障预警连接示例，锂离子电池堆给系统供电，DC/ DC转换器提供多个稳压输出电压。该示例中同时监控3路电压：3.3V、2.5V和1V，PFI引脚通过分压电阻直接监控锂离子电池堆电压。如果电源处于故障的边缘，PFO提供预警为系统留出足够的时间来准备有序关断。

3.1. LTC2911
这是一款低功耗、高精度三电源监控器，带有电源故障比较器。复位超时周期可通过外部电容进行选择或在内部选择（200ms）。LTC2911可监控三个通道电压，一个通道监控3.3V固定电源，一个通道监控5V、2.5V，1.8V、1.2V 或可调电源，第三个通道可调节至0.5V阈值，允许电阻分压配置其阈值，在整个工作温度范围内均具有严格的1.5% 阈值精度。当PFI的电压降至0.5V以下时，PFO输出拉至低电平，因此允许电阻分压来配置电源故障门限。该器件采用节省空间的8引脚TSOT23封装和3 x 2mm DFN封装。

3.2. LTC2960-2
此器件静态电流为850nA，支持高达36V的电压输入，监控Vout以提供低电量信号作为即将关断的预警，ADJ和RST引脚提供早期预警。通过监控ADJ输入且在输入电压降至阈值以下时将RST输出拉至低电平，而当输入电压升至阈值以上时复位超时周期会延迟RST输出恢复至高阻抗状态的时间。IN和OUT用于驱动PMOS以中断通向Vout的路径，防止电池过度放电。外部电阻分压器用于配置自定义比较器阈值，支持手动复位输入用于实现复位输出的外部激活。LTC2960-1和LTC2960-3为同相输入，LTC2960-2和 LTC2960-4为反相输入，均采用2 x 2mm 8引线DFN和ThinSOT封装。

可通过网站获取电源故障警告器件，搜索路径 www .analog.com- > 产品 -> 电源监视、控制和保护 -> 监控电路->产品选型表->选择参数->电源故障警告

按钮控制器

按钮控制器有运输和休眠两个模式，它们对于提高电池使用效率极其有用，是优化电池供电的有效方案之一。运输模式是一种Nanopower状态，可在产品运输阶段延长电池寿命。在运输模式下，电池与系统其余部分断开连接，以尽可能减少产品闲置或不使用时的电力消耗。运输模式可通过按钮解除，以恢复器件的正常运行。当器件处于激活状态时，可使用休眠模式来延长电池寿命。在休眠模式下，系统所有外设要么关闭，要么以最低功率要求运行。物联网器件会定期唤醒，执行特定任务后重回到休眠模式。

4.1. MAX16150
电源范围为1.3-5.5V，待机电流消耗低于20nA以确保最大限度降低功耗。该器件可作为独立的INT输出，检测到有效的按钮信号时则提供系统中断，异步CLR输入支持通过外部信号使锁存输出处于OFF状态。MAX16150的传统解决方案是使用负载开关、RTC来开/关无线传感器节点的电源，此方案下只有负载开关和RTC处于激活状态，因此可以将总静态电流减少至纳安级。休眠时间可以通过无线传感器节点内的微控制器进行编程设置，并且外部按钮控制器可以连接到负载开关以启用运输模式特性。外部按钮退用于退出运输模式而让无线传感器节点进入正常运行模式。MAX16150工作温度范围为-40°C至125°C，采用WLP和 ThinSOT23封装。

4.2. MAX16163/MAX16164
属于NanoPower控制器系列，具有开/关控制器和可编程休眠时间特性。集成了电源开关来选通输出，提供高达200mA的负载电流，休眠电流约为30nA，关断电流低至10nA，可以使用外部电阻对休眠时间进行编程或者通过I2C总线进行编程。该器件可以替代传统的负载开关、RTC和电池复位IC以减少BOM数量并降低成本。无线传感器节点单元通过MAX16162/MAX16163连接到电池，休眠时间可通过微控制器进行编程，可使用PDSLP接地的外部电阻或者来自微控制器的I2C命令进行设置。外部按钮用于退出器件的运输模式。工作温度范围为-40°C至125°C，采用6引脚WLP封装或6引脚MicroDFN封装，是功耗更低且尺寸更小的集成式解决方案，极其适合电池供电设备、远程传感器、物联网、便携式仪表、手持式消费电子设备、工业设备和一次性低功耗电子设备等应用。

4.3. LTC2956
带有按钮控制器的唤醒定时器，虽未进行电池保鲜密封但可以处理高达36V的电源输入，具有可调唤醒周期和可调最大唤醒时间。静态电流仅为0.8uA，关断电流仅为 0.3uA，采用2 x 3mm QFN和MSOP封装。

如需搜索按钮控制器，请访问 analog.com->产品->电源监视、控制和保护->按钮控制器转到其专用页面。

小结

ADI提供全面的电源监控器产品：NanoPower系列延长电池寿命，提供必要的功能以提高系统可靠性；看门狗定时器通过监控微控制器或微处理器的软件完整性来提供额外的安全性；电源故障警告提供即将发生的电源故障的预警，并防止电池深度放电；按钮控制器通过将其用作电池保鲜密封件或者为可定期唤醒的系统启用深度休眠模式。这些方案极其适合电池供电应用，大幅提高了电池能效比，延长了电池寿命。