功率管理：用混合信號(hào)FPGA控制電壓攀升率

引言(混合信號(hào)FPGA控制多電平系統(tǒng)的電壓攀升率)：隨著工藝尺度不斷縮小，器件常常需要多個(gè)電源。為了減小功耗和最大限度地提高性能，器件的核心部分一般趨向于在低電壓下工作。為了與傳統(tǒng)的器件接口，或與現(xiàn)有的I/O標(biāo)準(zhǔn)配合，I/O接口的工作電平往往與核心部分不同，一般都高于核心部分的工作電壓。器件通常支持電平各不相同 (1.8V、2.5V 或 3.3V)的多個(gè)I/O組件。為能重新配置器件或?qū)ζ骷匦戮幊?，通常還需要支持另外一個(gè)電源。顯然，這些電源間相互關(guān)聯(lián)，以及電源數(shù)量的增加，會(huì)大大增加板級(jí)電源管理的復(fù)雜性。

     采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)、數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 和專(zhuān)用集成電路 (ASIC) 的設(shè)計(jì)可能需要4到5個(gè)，甚至更多的電源，需要按照預(yù)先設(shè)定的順序和電壓攀升率完成上電，從而避免諸如閉鎖、涌流或I/O口爭(zhēng)奪等問(wèn)題。此外，許多應(yīng)用都要求上電順序和電壓攀升率可調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用情況。 為了滿足這些應(yīng)用要求，功率系統(tǒng)管理部分必須具備上電即用的能力，這樣，它才能對(duì)多個(gè)模擬電壓輸入進(jìn)行采樣和監(jiān)控。功率系統(tǒng)的管理器要基于系統(tǒng)需求，以適當(dāng)?shù)碾妷号噬薯樞騿?dòng)多個(gè)電源。該管理器還需具靈活性，能調(diào)節(jié)出不同的上電順序和電壓攀升率，并記住上電順序和電壓攀升率控制中使用的參數(shù)。

具有上電即用功能的混合信號(hào)FPGA在這種類(lèi)型的功率管理控制上具有很多優(yōu)勢(shì)。這種FPGA在單芯片中集成了大容量的嵌入 Flash內(nèi)存塊、可編程邏輯和可配置模擬構(gòu)件。由于集成了大容量的嵌入Flash內(nèi)存塊，因此能讓設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)眾多的任務(wù)，包括記錄系統(tǒng)歷史運(yùn)行性能、更新工作參數(shù)、監(jiān)視系統(tǒng)參數(shù)以預(yù)見(jiàn)可能發(fā)生的故障 (即預(yù)報(bào)功能)、EEPROM仿真，以及啟動(dòng)代碼存儲(chǔ)。除電源管理外，這種器件還能被用于控制開(kāi)關(guān)電壓的攀升率。這種FPGA對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)配置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多達(dá)30路模擬信號(hào)進(jìn)行采樣和監(jiān)視；同時(shí)利用柵極驅(qū)動(dòng)電流能控制多個(gè)電源的上電順序和電壓攀升率的可編程特性，控制多達(dá)10個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路。 利用混合信號(hào) FPGA(如 Actel 的 Fusion PSC) 的這種可編程?hào)艠O驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制電源電壓的攀升率，四線模擬 I/O 結(jié)構(gòu) (參見(jiàn)圖 1) 是個(gè)關(guān)鍵。四線模擬 I/O 由 4 個(gè) I/O 端構(gòu)成，包括模擬電壓輸入 (AV)、模擬電流輸入 (AC)、模擬溫度輸入 (AT)，以及單柵極驅(qū)動(dòng)輸出 (AG)。AV、AC 和 AT 用于在將模擬信號(hào)送到可配置的 12 位逐次逼近寄存器 (SAR) 實(shí)現(xiàn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 前，對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)調(diào)。四線模擬輸入的電壓承受能力達(dá) 12 V ± 10%。該四線模擬結(jié)構(gòu)在預(yù)定標(biāo)值、正負(fù)電壓范圍，以及 I/O 功能上有很大的可配置范圍。

如果設(shè)計(jì)人員能采用這種四線模擬結(jié)構(gòu)和ADC，混合信號(hào)FPGA就可為實(shí)現(xiàn)上電順序管理和電壓攀升率控制提供智能、簡(jiǎn)潔及靈活的解決方案。這種方案不需要外接電阻網(wǎng)絡(luò)、比較電路或MOSFET驅(qū)動(dòng)電路之類(lèi)的部件，因而能大幅節(jié)省板卡空間和降低系統(tǒng)成本。而且，還能實(shí)現(xiàn)真正的上電順序管理，且不依賴于主電源的上升時(shí)間。 要實(shí)現(xiàn)對(duì)上電順序和上電電壓攀升率的控制，可配置混合信號(hào)FPGA，使其不斷地監(jiān)視各個(gè)電源。該FPGA能根據(jù)用戶定義的條件來(lái)開(kāi)啟功率MOSFET管，為負(fù)載提供所需的功率。用戶可利用其電壓監(jiān)視功能，及預(yù)先定義的電源開(kāi)啟條件，在另一電源達(dá)到某一電平時(shí)開(kāi)啟該電源，或在另一電源開(kāi)啟后經(jīng)一定延遲后再開(kāi)啟該電源。同時(shí)，用戶還可選擇柵極驅(qū)動(dòng)電流來(lái)控制各個(gè)電源的上電攀升率；這個(gè)功能是針對(duì)外部的P型或N型MOSFET而設(shè)計(jì)。 圖1所示為典型的功率控制配置。在該配置中，AV和AC代表供電側(cè)或電源，AT在負(fù)載側(cè)，并有一個(gè)由AG輸出控制的外接MOSFET來(lái)控制供給負(fù)載的功率。AV監(jiān)視電源電壓。 一旦電源達(dá)到用戶設(shè)定的電平并穩(wěn)定下來(lái)，就可用AG來(lái)開(kāi)啟MOSFET，使負(fù)載側(cè)上電。柵極驅(qū)動(dòng)是可配置的電流源，需要有一個(gè)上拉電阻或下拉電阻 (見(jiàn)圖2)。

                     圖 2：AG 連接

AG和外接功率MOSFET決定負(fù)載側(cè)電源的開(kāi)關(guān)電壓攀升率。我們將通過(guò)下面給出的例子來(lái)說(shuō)明如何確定和控制這個(gè)攀升率。電源電壓 = Vsupply = 5V 上拉電阻 = Rpullup = 300 Ω AG 輸出電流 = Ig = 10 µA 功率MOSFET： 閾值電壓 = VT = 1V 電容 (柵極和源極) = Cgs = 10 nF 電容 (柵極和漏極) = Cgd = 2 nF 圖 2：AG 連接 對(duì)本例而言，電源 (Vsupply) 在時(shí)刻0之前就已啟動(dòng)。AV測(cè)量該電壓，并已設(shè)定Vsupply應(yīng)最終穩(wěn)定在5V。此時(shí)，柵極關(guān)斷且無(wú)電流流過(guò)；柵極電壓 (Vg) 也是5V。AG驅(qū)動(dòng)在時(shí)刻0就開(kāi)啟，并開(kāi)始形成10 µA (Ig)的匯流。 Vsupply = 5V RpullupVloaddgsPowerMOSFETCgdCgs Ig 在最初一段時(shí)間，Vg將下降，直到柵極和源極間的電壓超過(guò)閾值電壓 (Vt)。該電壓下降速率由dV/dt = Ig/Cgs決定 (一次近似)。Cgd是電壓的非線性函數(shù)，通常被稱(chēng)為密勒 (Miller) 電容。在這個(gè)區(qū)域，漏極到柵極只有很小的電流，因此密勒電容非常小，此時(shí)Cgs占主導(dǎo)。 一旦Vgs超過(guò)Vt，MOSFET開(kāi)啟。在這個(gè)區(qū)域，由于密勒電容已被充電，Vgs處于恒定。漏極電壓 (Vd) 此時(shí)攀升，其攀升率由下面的方程確定：：

                   dV/dt = Ig/Cgd = 10 µA / 2nF = 5V/mS. 方程1

當(dāng) Vd 達(dá)到 Vsupply，密勒電容被充電，Vg 將再次開(kāi)始下降。而 Vgs 將繼續(xù)增加，直到 Vgs = Ig x Rpullup = 10 µA x 300Ω = 3V。由于 MOSFET 已完全工作在Vsupply=5V 電源電壓下，此時(shí)，Vd = 5V，Vd = Vsupply – Vgs = 2 V。 選擇 MOSFET 必需小心，要根據(jù)系統(tǒng)的要求來(lái)選擇。選擇 Rpullup 也要小心。如果Rpullup 太大，MOSFET 的 Vgs 就可能超過(guò)額定值，造成災(zāi)難性后果。 在電源電壓一定的情況下，Ig 和 Cgd 決定電源電壓攀升到最終值的速率。圖 3 給出了電源電壓值 (Vsupply)，以及上電期間的 Vg 和 Vd。 用戶可預(yù)設(shè)對(duì)應(yīng)功率MOSFET管的各個(gè)Fusion柵極驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電流來(lái)控制電源的電壓攀升速率。Fusion柵極驅(qū)動(dòng)有4個(gè)驅(qū)動(dòng)電流級(jí)別可選：µA、3 µA、10 µA和30 µA。本例中，柵極驅(qū)動(dòng)電流 (Ig) 被選為10 µA，用它來(lái)控制Cgd固定為2 nF的功率MOSFET，就將5V電源的電壓攀升速率定為5 V/ms。用戶只要選擇不同的柵極驅(qū)動(dòng)電流，或選擇具有不同特性的功率MOSFET，就可輕松改變電壓攀升速率。 由于針對(duì)上電順序和電壓攀升速率的所有控制邏輯和時(shí)序功能都在 FPGA 器件實(shí)現(xiàn)，因此完全可由用戶來(lái)配置和控制。如果設(shè)計(jì)需求變更，無(wú)論是在開(kāi)發(fā)期間，甚至在產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)布后，只需簡(jiǎn)單進(jìn)行配置就可以完成功率管理方案的升級(jí)。 相同的概念可用于一個(gè)系統(tǒng)中的每一個(gè)電源。混合信號(hào)FPGA能控制多達(dá)10個(gè)電源，且受控電源電壓可達(dá)12V。一旦各個(gè)電源的電壓攀升率經(jīng)編程設(shè)定，就能解決這些電源的上電順序問(wèn)題。 構(gòu)建和維系合適的功率環(huán)境對(duì)于系統(tǒng)的正確運(yùn)行是非常關(guān)鍵的?；旌闲盘?hào)FPGA具有上電即用及單電源工作的優(yōu)勢(shì)，能監(jiān)視板卡上各電源的工作情況，控制它們的上電順序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)板卡初始化過(guò)程的控制。混合信號(hào)FPGA可配置，因而適用于任何板卡的功率管理需求。除能控制各電源的上電順序外，混合信號(hào)FPGA還可輕松及高效地控制各電源的電壓攀升速率。該功能對(duì)于確保系統(tǒng)處理器件 (包括DSP、微控制器和SRAM FPGA) 的正常工作至關(guān)重要。