電源工程師設(shè)計札記:輕松完成電源設(shè)計

　　所謂電源時序控制，是指以指定順序開關(guān)電源。電源時序控制可以簡單地基于既定的時間順序，或者一個電源的開啟時間取決于另一個電源何時達到設(shè)定的閾值。電源跟蹤基于這樣一個事實：電源電壓無法（一般也不應(yīng)）瞬間改變。電源系統(tǒng)設(shè)計師可以利用這一特性，有效地控制系統(tǒng)中各電源相對于其它電源的斜率。電源跟蹤分為三類：同步、比率和偏移。圖1中的四幅圖對時序控制、同步跟蹤、比率跟蹤和偏移跟蹤進行了比較。

　　圖1a中，三個電源按一定的時間順序開啟和關(guān)閉。首先是3.3 V電源開啟，后續(xù)電源的開啟和關(guān)閉延遲時間取決于應(yīng)用的需要。如果額定最大值要求電源按一定的順序激活，這種簡單的時序控制技術(shù)將能確保有源器件的電壓不會超過額定最大值。舉例來說，在ADC驅(qū)動的放大器上電之前，我們必須保證ADC的電源存在，否則可能損壞ADC的前端。

　　圖1b顯示同步跟蹤情況，所有三個電源同時開啟，并且以相同的速率彼此跟蹤，因此最低電源電壓首先建立，然后是較高的電源電壓。電源關(guān)斷以相反的方式進行。這個例子很好地說明了舊式FPGA或微處理器應(yīng)用中電源是如何接通的：首先激活較低的內(nèi)核電壓，然后接通輔助或I/O電源。稍后將以Xilinx Virtex-5 FPGA的同步跟蹤舉例說明。

　　圖1c中，電源以不同的斜率上電。如前所述，能夠?qū)﹄娫吹男甭蔰V/dt進行控制是一個非常有用的特性，它可以防止電路中去耦電容的大浪涌電流（充電電流）損壞器件。如果不加限制的話，浪涌電流可能大大超過標稱工作電流。斜率限制可以防止有源器件閂鎖、電容短路、PCB走線受損以及線路保險絲熔斷。

　　圖1d中，所有電源具有相同的斜率，但其施加時間由預(yù)定的失調(diào)電壓決定。此類跟蹤適用于需要限制電源電壓差（常常出現(xiàn)在DAC和ADC等混合信號器件的額定最大值部分）的器件，這種方法可以防止器件永久性受損。

　　基于FPGA的設(shè)計示例

　　使用FPGA系統(tǒng)的供電是探討多電源系統(tǒng)處理的活教材。適當?shù)腇PGA電源控制對于實現(xiàn)可靠、可重復(fù)的設(shè)計至關(guān)重要，否則可能會在實驗室甚至現(xiàn)場引發(fā)災(zāi)難性故障。大多數(shù)FPGA具有多個電源軌，一般表示為 VCCO， VCCAUX， 和 VCCINT. 這些電源分別用于為FPGA內(nèi)核、輔助電路（如時鐘和PLL等）、接口邏輯供電。

　　這些電源軌需要考慮的事項可以分為如下幾類：

　　電源軌的時序控制

　　電源軌電壓的容差要求

　　電源可能有軟啟動或斜率控制需求

　　下面以Xilinx Virtex-5系列FPGA的電源要求為例來說明，該系列提供許多特性，包括邏輯可編程能力、信號處理和時鐘管理。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，Virtex-5的電源上電順序要求為 VCCINT， VCCAUX， and VCCO. 這些電源相對于地的斜坡時間為200 μs（最小值）至50 ms（最大值）。建議工作條件如表1所示。

　　　　The 如前所述，Virtex-5要求同步電壓跟蹤。此外，電源必須在特定的建議工作容差范圍內(nèi)，而且必須在特定的dV/dt范圍內(nèi)上升和下降。

　　But the 但是，F(xiàn)PGA只是一個較大系統(tǒng)的一部分。為了進一步闡明本例，假設(shè)有一個高電流、5 V主系統(tǒng)電源軌。為FPGA內(nèi)核供電的1 V電源具有±5% （±50 mV）的容差，需要提供最高4 A的電流。3 V電源為通用邏輯電源，具有±5%的容差，在本例中需要提供4 A電流以便為FPGA I/O和設(shè)計中的其它邏輯器件供電。2.5 V電源為模擬電源，需要提供低噪聲的100 mA電流。

　　針對此應(yīng)用，利用雙通道降壓控制器ADP1850提供1 V和3 V高電流電源是一個很好的解決方案。ADP1850具有許多特性，其中包括：軟啟動控制、同步跟蹤以及主從電源時序控制。上電時的上升速率由SS1和SS2引腳上的電容控制。本例中，3 V數(shù)字電源是主電源。針對2.5 V模擬電源，超低噪聲 低壓差調(diào)節(jié)器（LDO） ADP150是絕佳選擇，它可以利用ADP1850的PGOOD2信號進行時序控制。圖2為該系統(tǒng)的簡化框圖，顯示了時序控制的一般流程，詳情參見ADP1850數(shù)據(jù)手冊。

　　圖2. Virtex-5的電源系統(tǒng)

　　上例說明了時序控制和跟蹤的常見使用方式，可以將其擴展到當今的許多多電源系統(tǒng)，包括基于微處理器的系統(tǒng)和涉及混合信號技術(shù)（ADC和DAC）的系統(tǒng)。

　　模擬電壓和電流監(jiān)控（ADM1191）

　　針對要求精密監(jiān)控多個系統(tǒng)電源電流和電壓的高可靠性應(yīng)用，可以使用簡單易行的模擬監(jiān)控電路。例如， 數(shù)字電源監(jiān)控器，ADM1191 提供1%的測量精度，包括一個用于電流和電壓回讀的12位ADC、一個精密電流檢測放大器以及一路用于提供過流中斷的ALERTB輸出。圖3顯示了ADM1191結(jié)合一個主控制器（如微處理器或微控制器等）的應(yīng)用。

　　圖3. 簡單的電源電壓和電流監(jiān)控器

　　ADM1191通過 I2C 總線與主控制器通信。通過配置A0和A1引腳的邏輯輸入電平，同一系統(tǒng)最多可以支持16個器件的尋址。本地控制器可以將測得的電壓與電流相乘，從而計算電源軌的功耗。發(fā)生過流狀況時，ALERTB信號通過一個中斷快速通知控制器，這個關(guān)于故障狀況的快速報警可以幫助保護系統(tǒng)免遭損壞。

　　時序控制和監(jiān)控的結(jié)合

　　大型固定系統(tǒng)，甚至某些高性能插卡，具有許多需要控制和監(jiān)控的電源軌。圖4涉及到一個具有8個電源軌的復(fù)雜電源系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)的核心是ADM1066它是一款靈活的高集成度超級電源時序控制器Super Sequencer? 可提供完整的電源控制功能，特性包括時序控制、監(jiān)控、余量微調(diào)和編程能力。ADM106x系列中的其它器件還具有溫度監(jiān)控和看門狗功能。

　　圖4. 8軌電源系統(tǒng)的控制

　　8軌系統(tǒng)具有三個主電源軌：12 V、5 V和3 V。其它電源軌則是利用開關(guān)調(diào)節(jié)器和LDO從這些主電源軌產(chǎn)生。每個調(diào)節(jié)器具有一路使能輸入，它由ADM1066的10路可編程驅(qū)動器（PD）輸出之一驅(qū)動，因此用戶可以按照一定的受控順序使所有電源軌上電。ADM1066具有一個片上電荷泵，可以提升6路PD輸出電壓以提供外部N-MOSFET的高驅(qū)動電壓；當需要控制更高電壓的電源時，外部N-MOSFET用作電源軌開關(guān)。

　　ADM1066具有片上EEPROM，用以存儲電源系統(tǒng)控制參數(shù)。ADI公司的實用程序為器件配置提供了便利，大大簡化了上電和運行任務(wù)，消除了費時的代碼開發(fā)工作。當系統(tǒng)進一步發(fā)展，以及有新器件加入設(shè)計時，可以輕松調(diào)整電源序列。時序參數(shù)和電壓跳變點很容易重新編程。這個功能非常有用，可以節(jié)省開發(fā)時間，降低電路板開發(fā)可能延誤的風(fēng)險

　　數(shù)字輸出信號——PWRGD（電源良好）、VALID和SYSRST（系統(tǒng)恢復(fù)）——由ADM1066在輪詢時產(chǎn)生，或者通過中斷/數(shù)字輸入提供，以便將電源系統(tǒng)的狀態(tài)告知系統(tǒng)微控制器，從而在發(fā)生故障時能夠采取措施。這種快速通知可以防止電容短路和其它危險狀況引發(fā)災(zāi)難性損害。PWR_ON和/RESET是從系統(tǒng)控制器到ADM1066的數(shù)字輸入，用以形成完整的系統(tǒng)控制環(huán)路。
利用ADM1066進行電源余量微調(diào)

　　在系統(tǒng)開發(fā)期間，當設(shè)計工程師需要調(diào)整電源電壓以優(yōu)化其電平或使其偏離標稱值時，可以使用ADM1066的片內(nèi)DAC來執(zhí)行電源余量微調(diào)。利用這種余量微調(diào)特性，可以在電源限制范圍內(nèi)對系統(tǒng)進行全面特性測試，而不需要使用外部儀器。該功能通常是在在線測試（ICT）期間執(zhí)行，例如：當制造商希望保證受測產(chǎn)品能夠在標稱電源電壓±5%的范圍內(nèi)正常工作時?；趫D4所示的電路，用戶可以在許多電源軌上實現(xiàn)余量微調(diào)。

　　開環(huán)電源余量微調(diào)

　　對DC/DC轉(zhuǎn)換器或LDO等電源進行余量微調(diào)的最簡單方法，是將額外電阻切換到電源模塊的反饋節(jié)點中，以改變反饋或調(diào)整節(jié)點的電壓，從而利用DAC迫使輸出電壓上調(diào)或下調(diào)所需的幅度。采用這種衰減器（圖5）時，可以通過SMBus更新相關(guān)DAC輸出的值，從而遠程命令A(yù)DM11066執(zhí)行電源余量微調(diào)。該過程可以利用獨立于系統(tǒng)控制環(huán)路的開環(huán)技術(shù)實現(xiàn)。

　　圖5. 開環(huán)余量微調(diào)

　　ADM1066最多可以為6個電源執(zhí)行開環(huán)余量微調(diào)，它利用6個片上電壓輸出DAC（DAC1至DAC6）驅(qū)動要微調(diào)的電源模塊的反饋引腳。實現(xiàn)這一功能的最簡單電路是利用一個衰減電阻（R3），將DACx引腳連接到DC/DC轉(zhuǎn)換器的反饋節(jié)點。當DACx輸出電壓設(shè)定為與反饋電壓相等時，無電流流入衰減電阻，DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓不發(fā)生變化。當DACx輸出電壓高于反饋電壓時，電流流