基于多電壓系統(tǒng)架構(gòu)的電源監(jiān)督與定序方案

zilog應(yīng)用工程副總裁 peyman hadizad
zilog資深應(yīng)用工程師 suresh gm

下面將介紹一種基于 zilog 的強(qiáng)大 8 位 z8 encore xp! 微處理器的全新多電壓監(jiān)督和定序解決方案。該方案利用 z8 encore xp!強(qiáng)大的 ez8 核心，以及芯片集成模擬外圍設(shè)備的特定于應(yīng)用程序的最優(yōu)化陣列。

復(fù)雜系統(tǒng)電源架構(gòu)中的電源監(jiān)控和定序

目前，主板級(jí)電壓監(jiān)督功能的基本方法建立在上電復(fù)位 (por) ic 基礎(chǔ)之上，或者分別是模擬 ic、晶體管和無(wú)源設(shè)備的成套組合。這些解決方案可以監(jiān)控單個(gè)或多個(gè)電源總線架構(gòu)。在基于 por ic 的解決方案中，在啟動(dòng)過(guò)程（電源電壓斜線上升）中，一旦電源電壓超過(guò)預(yù)設(shè)的電壓閾值，就會(huì)啟動(dòng)一個(gè)編程的時(shí)間延遲順序，隨后會(huì)保持 por 的輸出。這樣允許系統(tǒng)時(shí)鐘穩(wěn)定，并且啟動(dòng)引導(dǎo)例程初始化，隨后是 cpu 加電。

多個(gè) por 和電壓檢測(cè)器也可用于為電源定序。將監(jiān)控一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器的 por 輸出連接到下一個(gè)穩(wěn)壓器的關(guān)閉管腳（即用雛菊鏈方式連接它們），這樣一旦超過(guò) por 的時(shí)間延遲，就會(huì)啟動(dòng)兩個(gè)穩(wěn)壓器的操作順序。隨著系統(tǒng)電源電壓數(shù)量的增加，電壓監(jiān)控器和監(jiān)控電源的監(jiān)督產(chǎn)品也成為必備條件。但是，因?yàn)樾枰?0~15種電壓才能為一套復(fù)雜系統(tǒng)加電，因此通常需要幾種類似產(chǎn)品。

使用這種“多監(jiān)督產(chǎn)品”方法會(huì)造成一系列問(wèn)題。 一個(gè)問(wèn)題涉及查找?guī)в姓_閾值的設(shè)備。盡管存在一系列標(biāo)準(zhǔn)電壓，例如相應(yīng)的 3.3v、2.5v、1.8v、1.5v 和 1.2v，但是在某些情況下還需要監(jiān)控非標(biāo)準(zhǔn)電壓。這需要外部電阻分配器設(shè)置監(jiān)控的閾值。如果系統(tǒng)電源電壓更改（例如，降低 asic 的核心電壓以減少功耗，或提高它以增強(qiáng) asic 的性能），就必須更改電阻值以適合這些全新的電壓。獲得這種靈活性需要這些額外的外部電阻器，從而增加占用的主板空間和成本。此外，選擇正確的復(fù)位超時(shí)階段也會(huì)發(fā)生問(wèn)題。當(dāng)系統(tǒng)必須提供一個(gè)具體的加電順序時(shí)，多個(gè)監(jiān)督產(chǎn)品就會(huì)發(fā)生另一個(gè)問(wèn)題。但更多數(shù)量的電源電壓為系統(tǒng)加電時(shí)，上文概述的雛菊鏈技術(shù)可能無(wú)法處理各種電源電壓的斜線上升所需的定時(shí)順序。此外，如果電壓定序要求在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段中發(fā)生改變，更改現(xiàn)有電路以適合這些改變會(huì)造成眾多的麻煩和問(wèn)題。

當(dāng)這些大型系統(tǒng)使用“silver box”或“brick”電源時(shí)，會(huì)發(fā)生一個(gè)額外的定序問(wèn)題。這些電源簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)，但是在需要特定的加電順序時(shí)會(huì)造成一個(gè)問(wèn)題。例如，一個(gè)提供多個(gè)輸出電壓的 brick 電源可能只有一個(gè)單獨(dú)的“啟用”管腳。因此，在該管腳的控制下，所有輸出電壓會(huì)同時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉。帶有多個(gè)“啟用”（或關(guān)閉）輸入的“brick”電源可以解決此問(wèn)題。但是，如果多個(gè) ic 共享相同的電源（例如一個(gè) 3.3v i/o 邏輯電源和一個(gè) 1.8v 核心電源），兩個(gè) ic 的要求可能發(fā)生沖突。一個(gè)設(shè)備可能要求其核心電源在 i/o 電源之前供電，而第二個(gè)設(shè)備可能要求其電源以相反順序定序?？赏ㄟ^(guò)一個(gè)外部開(kāi)關(guān)（例如 mosfet）解決此問(wèn)題。對(duì)于低電能應(yīng)用，可以使用一個(gè) p 通道 mosfet，它通常比 n 通道 mosfet 昂貴，但是使用方法更簡(jiǎn)單。一個(gè) n 通道 mosfet 是更高電流應(yīng)用的理想之選，因?yàn)槠涞碗娮杩梢詼p少開(kāi)關(guān)的電壓下降。一個(gè) n 通道 mosfet 還可用于非常低的電壓核心。但是，要完全提高一個(gè) n 通道 mosfet，足夠高的電源電壓必須可用以便向源電壓提供適當(dāng)?shù)拈T(mén)電路。

z8 encore xp! 閃存 mcu 基于 zilog 的高級(jí) ez8 8 位 cpu 核心，并且是電壓監(jiān)督和定序應(yīng)用執(zhí)行的理想之選。其他目標(biāo)最終應(yīng)用包括家用器具（用戶接口和電機(jī)控制）、環(huán)境傳感器、電池充電和智能冷卻。設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。在此設(shè)備中，優(yōu)化成套芯片集成模擬外圍設(shè)備可以為控制和保護(hù)最終設(shè)備實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和增強(qiáng)的功能，同時(shí)降低系統(tǒng)成本。

10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (adc) 可以為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換最多提供八個(gè)單獨(dú)的結(jié)束/微分通道，并且可選擇 1x 或 20x 微分輸入擴(kuò)大率。此外，對(duì)于精度更高的電流測(cè)量，會(huì)將一個(gè)集成芯片跨導(dǎo)倒數(shù)放大器集成到 adc 模塊中，因此不再需要一個(gè)額外的組件。

和多通道 adc 一起，設(shè)備的兩個(gè)增強(qiáng)16位計(jì)時(shí)器塊以 pwm 為特征，并且“捕獲”和“比較”功能可用于同時(shí)操作兩個(gè)負(fù)載，同時(shí)高電流 led 驅(qū)動(dòng)輸出在啟動(dòng)一個(gè)預(yù)先定義的事件時(shí)可用于觸發(fā) led，而不需要其他硬件。其他功能包括集成模擬比較器，“故障自動(dòng)保險(xiǎn)”振蕩器機(jī)制提供可靠的操作，一個(gè)芯片集成溫度傳感器以及高達(dá) 128b 的 nvds。

基于encore xp! 的多電壓監(jiān)督和定序器解決方案

基于 encore xp! 解決方案的硬件配置和示意圖分別顯示在圖 2 和圖 3 中。12v 輸入電源為交換式穩(wěn)壓器提供輸入電壓。執(zhí)行分別帶有 1.8v、3.3v 和 2 x 5.0v 的輸出電壓的四個(gè)交換式穩(wěn)壓器。在 mcu 電源電壓為 3.3v 時(shí)，5v 穩(wěn)壓器依次為四行、二十個(gè)字符的 lcd 顯示屏加電。

1.8v、3.3v 和 5.0v 交換式穩(wěn)壓器 的定序

因此切換的電壓穩(wěn)壓器之間的可 編程延遲

電力負(fù)載的熱交換塊從主電源提 取高啟動(dòng)電流

12v 輸入電源電壓的可編程“開(kāi)” 和“關(guān)”斜線上升

可編程電壓過(guò)高、電壓過(guò)低、電流 過(guò)高和溫度過(guò)高監(jiān)控，帶有關(guān)閉
功能

提供給全部四個(gè)穩(wěn)壓器的總電流 的監(jiān)控

使用芯片集成溫度傳感器的系統(tǒng) 溫度的監(jiān)控。通過(guò)參考系統(tǒng)溫度 和芯片溫度傳感器的校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)

用于顯示和鍵盤(pán)控制器的 uart 接口，設(shè)置點(diǎn)編程和參數(shù)（電壓、電 流、溫度和順序）的顯示

lcd 顯示屏上電壓、溫度和開(kāi)/關(guān) 順序的狀態(tài)顯示，見(jiàn)圖4、圖5

微控制器初始化 pwm 生成的計(jì)時(shí)器、uart（用于特殊通訊）、adc（用于電壓、電流和溫度測(cè)量）以及 i/o 管腳（用于穩(wěn)壓器的開(kāi)/關(guān)切換）。最初，設(shè)備使用存儲(chǔ)在閃存中的默認(rèn)設(shè)置。然后，它輪詢?cè)O(shè)置中的更新并將信息存儲(chǔ)在 nvds 內(nèi)存中。

mcu 的兩個(gè) pwm 輸出之一可以連接到“熱交換”塊中的 mosfet，因此使用 encore xp! 的 16 位 pwm 計(jì)時(shí)器可以精確控制啟動(dòng)過(guò)程中和省電階段的電壓斜線上升率。pwm 頻率保持在 5 khz。此外，mcu 的四個(gè) i/o 管腳配置為輸出管腳，并且分別連接到每個(gè)交換式穩(wěn)壓器的“啟動(dòng)”輸入。

在八個(gè)模擬 adc 輸入通道中，兩個(gè)輸入用于“微分”模式，以測(cè)量傳感電阻的電壓。通過(guò)這種方式，可以精確監(jiān)控“總”電流。一系列其他 adc 輸入管腳用于交換式穩(wěn)壓器輸出電壓的連續(xù)測(cè)量。

在啟動(dòng)階段開(kāi)始時(shí)，pwm 輸出的工作循環(huán)根據(jù)用戶定義的斜線上升率提高，直到達(dá)到最終輸入電壓。在時(shí)間中的這一點(diǎn)，根據(jù)電壓穩(wěn)壓器的編程啟動(dòng)順序，四個(gè) mcu i/o 管腳的輸出電壓轉(zhuǎn)換為高狀態(tài)，在各自交換式穩(wěn)壓器上依次打開(kāi)。在所有時(shí)間，穩(wěn)壓器的輸出電壓連續(xù)通過(guò)芯片 adc 監(jiān)控。如果出現(xiàn)電壓過(guò)高、電壓過(guò)低、電流過(guò)高或溫度過(guò)高故障，則連接到穩(wěn)壓器“啟用”管腳的微控制器 i/o 管腳將轉(zhuǎn)換為低狀態(tài) (~0v)，根據(jù)用戶編程的關(guān)閉順序?qū)⑺鼈兦袚Q到“關(guān)”狀態(tài)。完成此階段后，“熱交換”電路的 pwm 工作循環(huán)逐漸降低，直到線路電壓下降為零。

總結(jié)

本文描述應(yīng)用 zilog 最新的 encore xp! 8 位微控制器監(jiān)控、控制和定序多電壓電源分配架構(gòu)。根據(jù)優(yōu)化的成套芯片集成數(shù)字和模擬外圍設(shè)備，此 mcu 是類似應(yīng)用的理想之選。和目前的模擬解決方案相比，此方法提供各種編程監(jiān)控、定序和其他控制功能的集成，可節(jié)省大量成本和主板空間。