電源排序 - 選擇與權(quán)衡：第 2 部分

系統(tǒng)中多個(gè)電源軌的正確排序是一項(xiàng)關(guān)鍵功能，可以使用不同的方法來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于具有多條電源軌的應(yīng)用，復(fù)雜的排序要求可能需要許多額外的組件。解決這一高級(jí)排序挑戰(zhàn)有兩種途徑，均提供所需的功能。一種是基于用戶編程的微控制器;另一種使用完全可編程但硬接線的 IC，專為排序而設(shè)計(jì)。

例如，使用 Microchip Technology 微控制器 PIC16F1XXX 系列的電源定序器可以處理四個(gè)、八個(gè)或更多電源(圖 1)。嵌入式固件由用戶編程，以實(shí)現(xiàn)所需的定序?qū)傩?，以及電源良好?biāo)準(zhǔn)、上升時(shí)間和下降時(shí)間，以及在電源超出范圍或發(fā)生故障時(shí)實(shí)施各種警報(bào)模式。

圖 1. 使用基于 PIC16F1XXX 系列的電源排序器，可以靈活地跨多條電源軌進(jìn)行排序和時(shí)序控制，并提供由其內(nèi)部 ADC 測(cè)量的詳細(xì)性能標(biāo)準(zhǔn)。

基于 PIC 的方法具有 10 位 ADC，但對(duì)每個(gè)軌道進(jìn)行 16 次數(shù)字化，然后取平均結(jié)果，產(chǎn)生相當(dāng)于 14 位轉(zhuǎn)換的結(jié)果。根據(jù)所選的 PIC16F1XXX 系列的具體成員，用于啟用穩(wěn)壓器或驅(qū)動(dòng)軌道 MOSFET 的通用 I/O (GPIO) 引腳數(shù)量可以達(dá)到數(shù)十個(gè)，因此幾乎可以處理任何情況。

對(duì)于特定排序設(shè)備，德州儀器的 UCD90120A 提供了另一種完全可編程的方法(圖 2)。PMBus/I2C 接口可處理此 12 軌電源排序器和監(jiān)視器，還包括 26 個(gè) GPIO 引腳，可用于其他與電源相關(guān)的功能，例如生成電源啟用、復(fù)位和系統(tǒng)處理器的警報(bào)中斷。當(dāng)與合適的圖形用戶界面 (GUI) 結(jié)合使用時(shí)，它可用于建立復(fù)雜的電源開/關(guān)序列和時(shí)序，在發(fā)生電壓下降時(shí)提供系統(tǒng)故障分析的見解(圖 3)。

圖 2. UCD90120A 設(shè)計(jì)用于對(duì)多達(dá) 12 個(gè)電源軌進(jìn)行排序和監(jiān)控，用戶可通過其 PMBus/I 2 C 接口進(jìn)行編程;額外的 GPIO 引腳支持額外的電源相關(guān)傳感和控制選項(xiàng)。

圖 3. 將 UCD90120A 等靈活的 PMIC 與 GUI 相結(jié)合，可產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的工具，用于建立多個(gè)復(fù)雜的排序場(chǎng)景并觀察每個(gè)導(dǎo)軌的性能及其時(shí)序關(guān)系。

數(shù)字電源和電源排序：機(jī)遇與風(fēng)險(xiǎn)

基本直流穩(wěn)壓器使用全模擬或混合信號(hào)電路，無論是 LDO(仍然非常廣泛使用)還是開關(guān)穩(wěn)壓器。這是幾十年來大多數(shù)穩(wěn)壓器的實(shí)現(xiàn)方式，誠(chéng)然，這兩種拓?fù)涠冀?jīng)過了許多改進(jìn)(和變體)。

如果它們具有“數(shù)字”方面，則使用數(shù)字控制通過 PMBus 或 I 2 C 接口設(shè)置模擬環(huán)路參數(shù)，如增益、響應(yīng)、輸出電壓、電流限制等。一旦這些因素設(shè)置到位，穩(wěn)壓器閉環(huán)操作就是模擬功能，即使通過控制總線更改或更新它們，新的操作模式仍然主要是模擬的。

然而，出于多種原因，高功率系統(tǒng)現(xiàn)在經(jīng)常使用全數(shù)字功率調(diào)節(jié)。這種全數(shù)字功率控制遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了通過數(shù)字總線設(shè)置模擬環(huán)路參數(shù)的范圍。相反，實(shí)際的閉環(huán)調(diào)節(jié)功能是通過包括處理器和嵌入式算法在內(nèi)的數(shù)字電路執(zhí)行的。

在這些電源中，輸出電壓軌被高速數(shù)字化，通過固件與所需值進(jìn)行比較，然后向環(huán)路 DAC 發(fā)出命令以調(diào)整該輸出(當(dāng)然，還要考慮許多其他因素)。排序是嵌入式固件的眾多任務(wù)的一部分。

全數(shù)字方法還允許定制控制和排序策略以更好地匹配操作條件，并且用戶可以指定在不同操作點(diǎn)優(yōu)先考慮哪些電源權(quán)衡：改善調(diào)節(jié)、提高效率、降低電氣噪聲等等。更棒的是，這些優(yōu)先級(jí)可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)更改。這是靈活性的極致，能夠隨著需求和優(yōu)先級(jí)的變化而調(diào)整 — 在許多情況下，這是工程師夢(mèng)寐以求的情況。

即使是排序也是各種電源軌數(shù)字控制算法的固有部分，因此也可以靈活調(diào)整。考慮到所有這些好處和固有的靈活性，采用數(shù)字電源和排序應(yīng)該毫不猶豫。畢竟，如果可以靈活調(diào)整，為什么要承諾呢?

但有時(shí)，好事太多也可能帶來問題。當(dāng)設(shè)計(jì)中的幾乎所有內(nèi)容都是由軟件驅(qū)動(dòng)的，因此可以輕松進(jìn)行更改時(shí)，在考慮和執(zhí)行項(xiàng)目時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些后果：

首先，人們傾向于認(rèn)為“只需發(fā)貨即可;我們可以稍后在軟件中修復(fù)它”。

其次，由于更改的文檔可能不完整，因此通常很難知道您實(shí)際擁有什么，甚至代碼列表也無濟(jì)于事;您真正需要知道代碼塊和算法的意圖。

第三，在電源軌和排序中擁有靈活且可更改的代碼意味著設(shè)計(jì)還有另一個(gè)功能，即“流動(dòng)”。然而，經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師知道，讓項(xiàng)目繼續(xù)前進(jìn)的關(guān)鍵步驟之一是“確定”盡可能多的方面，尤其是那些對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有影響的方面。當(dāng)一切都是可塑的并且隨時(shí)可能發(fā)生變化時(shí)，試圖取得進(jìn)展就像試圖把果凍釘在墻上一樣困難。

最后，由于定序器本身是基于處理器的 IC，運(yùn)行代碼，因此它必須在其他任何電源軌或組件完全激活之前正確啟動(dòng)。換句話說，這將成為一場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，一方面，定序器準(zhǔn)備好執(zhí)行其應(yīng)執(zhí)行的任務(wù)，另一方面，定序器管理的穩(wěn)壓器和電源軌在正確定序和管理之前達(dá)到其標(biāo)稱值。因此，在這些設(shè)計(jì)中，讓所有電源軌穩(wěn)壓器在系統(tǒng)通電時(shí)保持靜止?fàn)顟B(tài)，直到它們被指示激活，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

一個(gè)重要的系統(tǒng)級(jí)決策是，是否使用具有固有靈活性的基于固件的排序，還是使用保證在通電時(shí)“立即”執(zhí)行其設(shè)計(jì)任務(wù)的硬連線排序 IC。電源子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能是做出堅(jiān)定設(shè)計(jì)決策的最佳場(chǎng)所之一，然后就不管它了。

畢竟，一個(gè)堅(jiān)固、干凈、低噪音、一致的電源網(wǎng)絡(luò)從字面上和形象上來說都是支持設(shè)計(jì)中所有其他子系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。相比之下，性能不佳或動(dòng)態(tài)特性異常的電源可能會(huì)出現(xiàn)奇怪的問題，這些問題會(huì)以無法解釋的方式表現(xiàn)出來;通常，電源軌問題看起來像是軟件錯(cuò)誤(不要問我們?cè)趺粗赖?)。

如果沒有根據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)仔細(xì)評(píng)估該決策，電源子系統(tǒng)就可能成為另一個(gè)變色龍般的“未解決的問題”，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要努力跟上它的步伐，弄清楚它在做什么，并掌握最新變化的含義。

結(jié)論

電源及其軌道可能不像處理器或有線/無線通信鏈路和接口那樣引人注目，也未受到重視。然而，它們是從手持智能手機(jī)和儀器儀表到服務(wù)器群和數(shù)據(jù)中心等高容量、高性能設(shè)計(jì)中成功、可靠設(shè)計(jì)的重要功能。

管理不同的電源軌并非易事，但有許多電源排序和 PMIC 選項(xiàng)可供選擇，其功能可滿足項(xiàng)目要求。這些解決方案包括簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)順序 IC Enables 到具有高級(jí)功能的復(fù)雜、完全可編程 IC，能夠建立和更改許多關(guān)鍵參數(shù)的值。