實(shí)現(xiàn)多電源時序控制和跟蹤的電路設(shè)計(jì)

隨著多電源電子系統(tǒng)和IC的數(shù)量的增加，為確保系統(tǒng)在操作前正確上電，對電源時序控制的需求變得越來越迫切。這種電源時序控制對消除復(fù)雜IC(如微處理器、ASIC和 FPGA)中的閂鎖效應(yīng)尤其重要。此外，一些系統(tǒng)和IC也對斷電時序控制有要求。

傳統(tǒng)上，電源IC都具有電源時序控制功能。然而，隨著系統(tǒng)中電源數(shù)量的增多，這些IC的功能已難以滿足系統(tǒng)要求。因此，需要針對這些應(yīng)用推出新的解決方案。為滿足這些要求，許多制造商推出了各具特色的新型IC，這些IC具有帶高級功能操作和差異化特性的電源電壓時序控制和多電源軌跟蹤功能。

電源時序控制IC的主要功能是控制多電壓之間的上電時序，有時也包括斷電時序。設(shè)計(jì)工程師可以通過控制串聯(lián)開關(guān)(通常是MOSFET)直接控制不同的電壓軌，完成時序控制；或者通過一系列順序使能信號控制下游電源或者DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊,從而間接控制電壓軌，完成時序控制(圖1和圖2)。

當(dāng)系統(tǒng)具有幾個不同的分布式電壓時，利用導(dǎo)通電阻低的FET進(jìn)行直接控制是一個更好的電源時序控制實(shí)現(xiàn)方案。為克服分布式布線和FET壓降，可適當(dāng)提高分布式電壓以留出更多裕量。但在某些具有大負(fù)載電流或者未使用導(dǎo)通電阻低的FET的應(yīng)用中，這種方法通常會有些問題。間接時序控制方法能以低損耗方式對負(fù)載點(diǎn)DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行時序控制，從而避免串聯(lián)FET和電路板走線電阻的分布損耗。

圖1：利用MOSFET的直接電源時序控制。

這種架構(gòu)可以通過兩種方法實(shí)現(xiàn)：第一種方法是監(jiān)測輸出電壓，以確保在下一級電源導(dǎo)通之前確保電壓符合調(diào)節(jié)范圍；第二種方法是利用定時序列為前一級電源電壓達(dá)到電壓調(diào)節(jié)范圍留出充足的時間。后一種方法和轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通特性密切相關(guān)，因此必須知道轉(zhuǎn)換器從使能到電源電壓正常之間的時間，以保證只有在前一級的轉(zhuǎn)換器滿足最低輸出電壓要求后才導(dǎo)通下一級轉(zhuǎn)換器。這一段必要的延遲時間在很大程度上依賴于負(fù)載，因此要求可以很容易調(diào)節(jié)電源時序控制IC的延遲時間設(shè)置。在允許電壓同步上升的應(yīng)用中，可采用具有不同跟蹤能力的電源時序控制器。

電源時序控制器的另一個功能，是確保在時序啟動之前系統(tǒng)具有最低可接受電壓，并確保如果系統(tǒng)不能維持這個最低電壓，則電源時序控制器將在操作期間對此作出反應(yīng)。目前有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)這種功能。一種方法是直接將被監(jiān)視的電壓和固定的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較，從而控制兩個或者多個公共電源電壓。該方法雖然可以使BOM的元件數(shù)量最小，但靈活性低。另一種方法是提供內(nèi)部電壓基準(zhǔn)的外部設(shè)置端口，以便能通過電阻分壓器，單獨(dú)設(shè)定最低可接受電壓閾值。這種方法使得一種電源時序控制器可在多個實(shí)現(xiàn)方案中使用，而且還能通過不同的設(shè)置使之能在任意組合的受控電源中使用。

圖2：利用邏輯信號使能負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的間接電源時序控制。

有多種方式可以不同輸出電壓時序控制之間的定時、順序和可調(diào)節(jié)延遲控制。(1)使用固定序列，這樣IC的上升和下降時序便是固定的；還有一些IC的靈活性非常高，這樣可以選擇任意的電壓變化斜坡。(2)采用由電壓決定起始點(diǎn)的方式，這可通過在下一個時序發(fā)生之前監(jiān)視輸出電壓或者FET的柵電壓得以實(shí)現(xiàn)。(3)利用外部定時元件、電阻或者電容來設(shè)置時序和/或到下一次上升/下降斜坡的延遲。通過一個電流源將這些外部元件充電到某個閾值電壓，該閾值電壓決定了電源的時序控制操作。這些外部元件還可以組成內(nèi)部計(jì)數(shù)器的定時元件。一般情況下，這些元件的數(shù)目將根據(jù)不同的延遲時間要求而有所不同，某些定時要求可能會消除一些公共元件或者使用某些公共元件。

圖3給出了一種電源時序控制器，它采用非常靈活的方法對電壓進(jìn)行監(jiān)測、時序排序和定時。由于無源元件的值的選擇非常靈活，所以可以很容易地在整個板級設(shè)計(jì)或者多個板級設(shè)計(jì)中簡單地復(fù)制該方法。

圖3：典型的ISL6123應(yīng)用電路圖，該四路電源時序控制器具備完全可調(diào)節(jié)的鎖定電壓閾值、時序順序和定時功能。

大多數(shù)電源時序控制器都具備的另一個特性，是它們能在系統(tǒng)內(nèi)部或外部進(jìn)行通訊；一些IC通過串行通信協(xié)議，另一些IC則通過專用I/O信號來實(shí)現(xiàn)通訊功能，以傳遞必要信息(比如電壓正常狀態(tài))。大多數(shù)IC制造商充分考慮了設(shè)計(jì)成本的問題，在同一產(chǎn)品系列中提供具備上述部分功能或者所有通訊方式功能的IC產(chǎn)品。OEM廠商可能會在產(chǎn)品原型、生產(chǎn)和測試階段使用某些通信功能，而在系統(tǒng)操作期間使用其它通訊功能。

圖4至圖6詳細(xì)介紹了電源時序控制器的一些基本電路操作。所有這些圖都基于Intersil ISL612X系列電源時序控制器。該控制器是具備理想控制功能的電源時序控制器的典范。電源時序控制器有如此豐富的功能和特性，以致使你很難作出選擇。選擇一個具有寬范圍配置靈活性的解決方案，會提供在系統(tǒng)層次上優(yōu)化解決方案的機(jī)會。例如，你可以將幾個IC進(jìn)行菊環(huán)鏈級聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對大量不同電壓的電源、雙極性電源進(jìn)行時序控制，還可以對電壓的斜升和斜降進(jìn)行跟蹤控制。

目前，大多數(shù)電源時序控制器都針對特定需求提供特定的解決方案。它們往往由多個IC構(gòu)成，可進(jìn)行不同的設(shè)置。例如，在冗余電源系統(tǒng)的應(yīng)用中，電源時序控制器不但要在上電電路功能初始化之前具備冗余能力，而且必須具有支持預(yù)約替換和維護(hù)的能力。ISL6128就是這樣一種電源時序控制器，它集成了兩個電源時序控制輸出，這兩個輸出分別在兩個不同的組。

圖4：對四個電源電壓進(jìn)行不同時序順序的升/降控制。

如圖7所示，通過對電壓源進(jìn)行獨(dú)立和連續(xù)的監(jiān)測，該IC可以保證冗余電源能力在電源使用前已經(jīng)具備。一旦上電，同組的兩個電源首先只在各自組中完成電源時序控制，然后兩個組的電源再通過ORing元件和公共電壓軌連接。在操作過程中，如果任何一個電源電壓降到額定調(diào)節(jié)范圍以下，只有發(fā)生故障的那組的傳輸開關(guān)會斷開，從而在不干擾相鄰電源正常工作的情況下，將有故障的電源和公共電壓軌隔離。這時，可以安裝一個替代電源，并利用相關(guān)的輸入重新和公共線路建立連接。此外，可以通過對每個組分別執(zhí)行斷開和閉合操作來實(shí)現(xiàn)電源的日常替換或者升級。

目前還出現(xiàn)了客戶定制的電源時序控制器。這些定制的電源時序控制器具有針對不同通信應(yīng)用的高電壓(90V)偏置能力，可以對具備特定I/O接口特性和能力(例如：板載EEPROM、高-低窗口電壓的一致性、固定的內(nèi)部和外部可調(diào)節(jié)閾值電壓等)、狹義上的高值負(fù)載進(jìn)行監(jiān)視保護(hù)。

圖5：四個電源電壓的升/降進(jìn)行同步跟蹤控制。

全新類型的器件不但具有對多種電源電壓進(jìn)行時序控制和/或跟蹤的能力，還具有熱插拔/熱切換的功能，從而降低成本和復(fù)雜度。以ISL6173為例，ISL6173是一個全新的支持雙低電壓電源熱插拔功能的IC，能對這兩個電源進(jìn)行時序控制或者跟蹤。此外，在系統(tǒng)上采用多個ISL6173也非常簡單，這樣就能在更多的電壓軌上提供這種能力。ISL6173的設(shè)計(jì)也允許這種多配置方式。

圖6：+5V/-5V雙極性電源和+2.5V電源的時序控制。

ISL6173采用單獨(dú)的使能輸入控制每個電壓，可以被配置成依賴于電壓的電源時序控制器。在這種控制方式下，由PG輸出信號指示的前一個輸出電壓的狀態(tài)，決定了什么時候開始下一個上電操作。圖8為簡化的配置電路圖。

圖7：基于ISL6128的冗余電源時序控制電路。

利用SS輸出，相關(guān)的輸出電壓可以跟蹤引腳至地的電容導(dǎo)通時所產(chǎn)生的電壓斜坡。這個特性允許負(fù)載軟啟動，以便用一個公用的使能信號實(shí)現(xiàn)比率導(dǎo)通(ratiometric turn-on)方式。調(diào)節(jié)SS電容值的適當(dāng)比例，可以使電壓以不同的速率上升，以使每個輸出電壓與它最終值的相對百分比相匹配，如圖9所示。此外，由于兩個電源將跟蹤兩個SS引腳上的一個共用斜坡電壓，所以可以利用兩個SS引腳上的公用電容對導(dǎo)通進(jìn)行同步跟蹤，如圖10所示。

圖8：簡化的ISL6173電源時序控制配置電路圖。

總之，電源時序控制器具有支持多種配置和實(shí)現(xiàn)方案的靈活性，可簡化電源電壓時序控制和跟蹤的實(shí)現(xiàn)電路。另外，在具有合適特性和靈活性的單個IC內(nèi)集成多個新功能，如熱插拔/熱切換、電源時序控制和/或跟蹤，使得電源時序控制器可以在現(xiàn)代電子系統(tǒng)的多電壓供電方面發(fā)揮更大作用功能。

圖9：3.3V 和1.5V 的比例跟蹤圖。3.3V：Css=0.033uF，1.5V：Css=0.072uF。

圖10：3.3V和1.5V時，利用公用SS電容進(jìn)行同步電源跟蹤，Css=0.066uF。