復雜電源管理組件的設(shè)計挑戰(zhàn)及解決方案

隨著系統(tǒng)內(nèi)電源數(shù)量的增多，為了確保其安全、經(jīng)濟、持續(xù)和正常的工作，對電源軌進行監(jiān)測和控制變得非常重要，特別是在使用微處理器時。確定電壓軌是否處于工作范圍內(nèi)，以及該電壓相對于其它電壓軌是否按照正確的時序上電或斷電，這些對于系統(tǒng)執(zhí)行的可靠性和安全性來說都是至關(guān)重要的。例如FPGA，在向組件提供5V I/O(輸入/輸出)電壓之前，必須先施加3.3V的核心電壓，并持續(xù)至少20ms，以避免組件上電時受到損壞。對于系統(tǒng)的可靠性來說，滿足這樣的時序要求就像要保證組件在規(guī)定的電源電壓和溫度范圍內(nèi)工作一樣至關(guān)重要。

同時，電源軌數(shù)量也在顯著增加。一些復雜的系統(tǒng)，如LAN(局域網(wǎng)絡(luò))交換機和移動電話基站，線路卡通常會包含10路或更多電壓軌；即使是對成本敏感的消費性系統(tǒng)，如等離子電視，也可能具有多達15路的獨立電壓軌，其中許多電壓軌都需要進行監(jiān)控和時序控制。在高階系統(tǒng)中，每個DSP組件會需要多達四個獨立的電源。而在更多情況下，單一系統(tǒng)中可能存在著大量的多電源組件，包括FPGA、ASIC、DSP、微處理器和微控制器(以及模擬組件)。

電壓監(jiān)控和時序控制有時會變得極為復雜，特別是當一個系統(tǒng)必須設(shè)計為能夠支持上電時序控制和斷電時序控制，并能夠在工作期間的不同時間點上對不同電源軌上的所有可能故障狀況均產(chǎn)生多種響應(yīng)時。中心電源管理控制器是解決這個難題的最佳方案。

設(shè)計風險與電源數(shù)量、組件數(shù)量和系統(tǒng)復雜程度成正比，外部因素也會增加風險。例如，如果在初始設(shè)計階段沒有完整地定義出主ASIC的特性，那么電源設(shè)計工程師必須用硬聯(lián)機實現(xiàn)電壓監(jiān)控閾值和時序控制，但廡┒伎贍芑崴孀臕SIC技術(shù)指標的改變而產(chǎn)生變化。故對于任何一個中心電源系統(tǒng)管理器來說，易于調(diào)整電源的方法將會是非常有用的。

基本監(jiān)控

圖1：基于比較器的欠壓檢測，提供通用電源良好輸出，適用于3路電源系統(tǒng)。

圖1所示的是監(jiān)控多任務(wù)電壓軌的簡單方法。其中，每路電壓軌都使用獨立的電路。電阻分壓器將電壓軌按比例降低，并為每一路電源設(shè)置一個欠壓跳變點。所有的輸出被連接在一起，產(chǎn)生通用電源良好訊號。更小的制程尺寸正推動核心電壓向更低的方向發(fā)展。低壓時余量的不足可能會引起預想不到的組件行為。隨著核心電壓的下降，對高精密度電壓監(jiān)控器的要求將更加苛刻，如圖2所示。

圖2：現(xiàn)代電子系統(tǒng)中需要高精密度監(jiān)控器。

基本時序控制

圖3所示的是如何利用分離組件實現(xiàn)基本的時序控制，此處采用邏輯閾值而不是比較器。12V和5V電源軌是由其它電路產(chǎn)生的。為了確保系統(tǒng)能夠正確工作，必須導入一段時間延遲。這里是透過使用RC電路來緩慢升高與5V電源串聯(lián)的N信道FET的閘極電壓而實現(xiàn)的。所選用的RC值可確保FET在達到閾值電壓并導通之前能獲得足夠的延遲時間。這些電壓的上電時間也是利用RC來進行時序控制的。由于RC能驅(qū)動每個LDO的EN(使能)接腳，因此無需串聯(lián)FET。選定的RC值要確保在EN接腳上的電壓爬升到其閾值之前有足夠的延遲時間(t2,t3)。

圖3：四路電源系統(tǒng)的基本分離式時序控制。

這種簡單、低成本的電源時序控制方法只占用很少的電路板面積，因此適用于多種應(yīng)用。這種方法適合于成本是主要考慮因素、時序要求很簡單，且時序控制電路的精確性不是十分重要的系統(tǒng)。

但許多情況下需要比RC延遲電路更高的精確性。此外，這種簡單的解決方案也不允許以結(jié)構(gòu)化的方法處理故障(例如，一個5V電源失效最終將影響到其它電源軌)。

利用IC進行時序控制

市場上有各種各樣的電源時序控制器。有些組件能夠直接實現(xiàn)電源模塊的輸出，并提供多種輸出配置。有些組件內(nèi)建電荷泵電壓產(chǎn)生器，對于需要對更高電壓軌進行時序控制、卻又缺少高壓源(如12V電源軌)的低壓系統(tǒng)來說，這一點特別有用，能夠驅(qū)動N信道FET的閘極。許多這類組件具有使能接腳，可以接受來自于按鈕開關(guān)或控制器的外部訊號，以便在需要時重新啟動時序控制或切斷所控制的電壓軌。

圖4所示的是如何使用電源時序控制器ADM6820和ADM1086精確且可靠地對系統(tǒng)中的電源軌進行時序控制。內(nèi)部比較器檢測電壓軌何時會超過精密的設(shè)定電平，經(jīng)過可程序的上電延遲之后，按正確時序產(chǎn)生輸出。閾值透過電阻比值來設(shè)定，延遲透過電容來設(shè)定。

圖4：使用監(jiān)控IC對四路電源系統(tǒng)進行時序控制。

整合的電源系統(tǒng)管理

有些系統(tǒng)具有許多電源軌，采用這種使用大量IC，并利用電阻和電容來設(shè)置時序和閾值電平的分離解決方案會變得過于復雜、成本過高，且不能提供適當?shù)男阅堋?/FONT>

具有八路電壓軌的系統(tǒng)會需要復雜的上電時序控制。每路電壓軌都要監(jiān)控，以免出現(xiàn)欠壓或過壓故障。產(chǎn)生故障時，根據(jù)故障機制，需要切斷所有電源電壓，或初始化電源切斷時序。此外，必須根據(jù)控制訊號的狀態(tài)采取相應(yīng)措施，并根據(jù)電源的狀態(tài)產(chǎn)生標志位。在具有四路或更多電源的系統(tǒng)中，使用集中式組件來管理電源比較可取。圖5所示的是采用這種方法的一個例子。

圖5：打印機應(yīng)用中的上電與斷電時序。

集中式監(jiān)測和時序控制

通常，系統(tǒng)中包含的電源數(shù)量越多，系統(tǒng)就越復雜，因此精密度限制也越嚴格。另外，在低壓狀態(tài)下，例如1.0V和0.9V，利用電阻來設(shè)定精確的閾值也變得很有挑戰(zhàn)性。ADM1066在最壞情況下允許輸入檢測器比較器的閾值被設(shè)定在1%范圍內(nèi)，而與電壓(低至0.6V)無關(guān)，并可工作在該組件允許的整個溫度范圍內(nèi)。這可以增加每個比較器的內(nèi)部突波濾波和遲滯。其邏輯輸入適用于啟動上電時序控制、關(guān)閉所有電源軌，或執(zhí)行其它功能。

比較器的信息被送入功能強大和靈活的狀態(tài)機核心，這些信息具有以下幾種用途。

時序控制：當最近的使能電源的輸出電壓進入到窗口中時，時間延遲被觸發(fā)，以按照上電時序接通下一個電源軌?？赡苄枰哂卸嘀厣想娕c斷電時序，或具有差別較大的上電與斷電時序的復雜時序控制。

超時：如果已經(jīng)使能的電源軌沒有按照預期上電，可以執(zhí)行一套適當?shù)膽?yīng)對措施(例如產(chǎn)生一個中斷訊號或關(guān)閉系統(tǒng))。相較之下，純模擬的解決方案只會讓系統(tǒng)簡單地掛在時序中的那一點上。

監(jiān)控：如果任一電源軌上的電壓超出了預設(shè)的窗口，可以根據(jù)產(chǎn)生故障的電源軌、故障類型和目前的工作模式，采取適當?shù)膽?yīng)對措施。含有五路以上電源的系統(tǒng)通常都相當昂貴，因此全面的故障保護是極為重要的。

即使系統(tǒng)中的最高電壓只有3V，仍然可以透過內(nèi)建電荷泵產(chǎn)生大約12V的閘極驅(qū)動電壓，允許輸出能夠直接驅(qū)動串聯(lián)的N信道FET。其它額外的輸出能夠使能或切斷DC/DC轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器，使輸出內(nèi)部上拉至其中一個輸入電壓或內(nèi)建的穩(wěn)壓電壓。輸出也可以被指定為開漏輸出。輸出可以作為狀態(tài)訊號，如電源良好或上電重置。如果需要的話，狀態(tài)LED可以直接由輸出來驅(qū)動。

電源調(diào)整

除了能夠監(jiān)控多任務(wù)電壓軌并提供復雜的時序控制解決方案之外，整合電源管理組件還可以用于暫時或永久調(diào)整某些電壓軌電壓。透過調(diào)節(jié)組件上調(diào)整節(jié)點或反饋節(jié)點上的電壓，可以改變DC/DC轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器的電壓輸出。組件中的DAC，可以直接控制調(diào)整/反饋節(jié)點。為了實現(xiàn)最大的效率，這些DAC不會在地與最大電壓間工作，而是會以標稱的調(diào)整/反饋電平為中心點，在一個相當窄的窗口中工作。如ADI的ADM1066包含一個用來測量電源電壓的12位ADC，以實現(xiàn)死循環(huán)電源電壓調(diào)節(jié)方案。它可以調(diào)整DAC來校準電壓輸出，使其盡可能接近目標電壓。這個死循環(huán)方案提供了一個非常精確的電源調(diào)節(jié)方法，如圖6所示。

圖6：ADI公司用于八路電源系統(tǒng)的集中式時序控制與監(jiān)控解決方案。

這種電源調(diào)節(jié)方案有兩個主要應(yīng)用。首先是電源容限的概念，也就是說，當電源處于規(guī)定的設(shè)備電源電壓范圍邊界時，測試系統(tǒng)對電源做出的反應(yīng)。數(shù)據(jù)通訊、電信、移動電話基礎(chǔ)設(shè)備、服務(wù)器和儲存局域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等制造商在將其系統(tǒng)提供給終端客戶之前，必須進行嚴格的容限測試。

電源調(diào)節(jié)方案的第二個應(yīng)用是補償系統(tǒng)電源波動，包括溫度改變引起的短期波動以及組件老化引起的長期波動。ADC及DAC回路可被周期性地啟動(例如每10s、30s或60s)，再加上軟件校準回路，就可以使電壓保持在其應(yīng)有的范圍內(nèi)。