多電源系統(tǒng)的監(jiān)控和時(shí)序控制

現(xiàn)今，電子系統(tǒng)往往具有許多不同的電源軌。在采用模擬電路和微處理器、DSP、ASIC、FPGA的系統(tǒng)中，尤其如此。為實(shí)現(xiàn)可靠、可重復(fù)的操作，必須監(jiān)控各電源電壓的開關(guān)時(shí)序、上升和下降速率、加電順序以及幅度。既定的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能包括電源時(shí)序控制、電源跟蹤、電源電壓/電流監(jiān)控和控制。有各種各樣的電源管理IC可以執(zhí)行時(shí)序控制、跟蹤、上電和關(guān)斷監(jiān)控等功能。

時(shí)序控制和跟蹤器件可以監(jiān)控和控制多個(gè)電源軌，其功能可能包括設(shè)置開啟時(shí)間和電壓上升速率、欠壓和過壓故障檢測(cè)、余量微調(diào)(在標(biāo)稱電壓值的一定范圍內(nèi)調(diào)整電源電壓)以及有序關(guān)斷。適合這些應(yīng)用的IC種類眾多，簡(jiǎn)單的如利用電阻、電容和比較器構(gòu)成的純模擬器件，復(fù)雜的如高集成度狀態(tài)機(jī)和通過 I2C bus.總線進(jìn)行數(shù)字控制的可編程器件。某些情況下，系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)器和控制器可能包括關(guān)鍵控制功能。

對(duì)于采用多個(gè)開關(guān)控制器和調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)，還有一個(gè)考慮是器件以不同開關(guān)頻率工作時(shí)，如何將產(chǎn)生的系統(tǒng)噪聲降至最低。常常需要同步調(diào)節(jié)器的時(shí)鐘，事實(shí)上，如今的許多高性能開關(guān)控制器和調(diào)節(jié)器都可以與外部時(shí)鐘同步。

圖1. 電源軌的控制類型

電源時(shí)序控制和跟蹤

所謂電源時(shí)序控制，是指以指定順序開關(guān)電源。電源時(shí)序控制可以簡(jiǎn)單地基于既定的時(shí)間順序，或者一個(gè)電源的開啟時(shí)間取決于另一個(gè)電源何時(shí)達(dá)到設(shè)定的閾值。電源跟蹤基于這樣一個(gè)事實(shí)：電源電壓無法(一般也不應(yīng))瞬間改變。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以利用這一特性，有效地控制系統(tǒng)中各電源相對(duì)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(duì)時(shí)序控制、同步跟蹤、比率跟蹤和偏移跟蹤進(jìn)行了比較。

圖1a中，三個(gè)電源按一定的時(shí)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(shí)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(jiǎn)單的時(shí)序控制技術(shù)將能確保有源器件的電壓不會(huì)超過額定最大值。舉例來說，在ADC驅(qū)動(dòng)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(gè)電源同時(shí)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(jìn)行。這個(gè)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(jìn)行控制是一個(gè)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(biāo)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(xiǎn)絲熔斷。

圖1d中，所有電源具有相同的斜率，但其施加時(shí)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(hào)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(jì)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(dāng)?shù)腇PGA電源控制對(duì)于實(shí)現(xiàn)可靠、可重復(fù)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，否則可能會(huì)在實(shí)驗(yàn)室甚至現(xiàn)場(chǎng)引發(fā)災(zāi)難性故障。大多數(shù)FPGA具有多個(gè)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(shí)鐘和PLL等)、接口邏輯供電。

這些電源軌需要考慮的事項(xiàng)可以分為如下幾類：

電源軌的時(shí)序控制

電源軌電壓的容差要求

電源可能有軟啟動(dòng)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(hào)處理和時(shí)鐘管理。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，Virtex-5的電源上電順序要求為 VCCINT, VCCAUX, and VCCO. 這些電源相對(duì)于地的斜坡時(shí)間為200 μs(最小值)至50 ms(最大值)。建議工作條件如表1所示。

表1. Xilinx Virtex-5電源軌要求

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(gè)較大系統(tǒng)的一部分。為了進(jìn)一步闡明本例，假設(shè)有一個(gè)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(jì)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(duì)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(gè)很好的解決方案。ADP1850具有許多特性，其中包括：軟啟動(dòng)控制、同步跟蹤以及主從電源時(shí)序控制。上電時(shí)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(duì)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(hào)進(jìn)行時(shí)序控制。圖2為該系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖，顯示了時(shí)序控制的一般流程，詳情參見ADP1850數(shù)據(jù)手冊(cè)。

圖2. Virtex-5的電源系統(tǒng)

上例說明了時(shí)序控制和跟蹤的常見使用方式，可以將其擴(kuò)展到當(dāng)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(hào)技術(shù)(ADC和DAC)的系統(tǒng)。

模擬電壓和電流監(jiān)控(ADM1191)

針對(duì)要求精密監(jiān)控多個(gè)系統(tǒng)電源電流和電壓的高可靠性應(yīng)用，可以使用簡(jiǎn)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(cè)量精度，包括一個(gè)用于電流和電壓回讀的12位ADC、一個(gè)精密電流檢測(cè)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(gè)主控制器(如微處理器或微控制器等)的應(yīng)用。

圖3. 簡(jiǎn)單的電源電壓和電流監(jiān)控器

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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(gè)器件的尋址。本地控制器可以將測(cè)得的電壓與電流相乘，從而計(jì)算電源軌的功耗。發(fā)生過流狀況時(shí)，ALERTB信號(hào)通過一個(gè)中斷快速通知控制器，這個(gè)關(guān)于故障狀況的快速報(bào)警可以幫助保護(hù)系統(tǒng)免遭損壞。

時(shí)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(gè)具有8個(gè)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(jí)電源時(shí)序控制器Super Sequencer? 可提供完整的電源控制功能，特性包括時(shí)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(gè)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(gè)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(dòng)器(PD)輸出之一驅(qū)動(dòng)，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(gè)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(dòng)電壓;當(dāng)需要控制更高電壓的電源時(shí)，外部N-MOSFET用作電源軌開關(guān)。

ADM1066具有片上EEPROM,用以存儲(chǔ)電源系統(tǒng)控制參數(shù)。ADI公司的實(shí)用程序?yàn)槠骷渲锰峁┝吮憷蟠蠛?jiǎn)化了上電和運(yùn)行任務(wù)，消除了費(fèi)時(shí)的代碼開發(fā)工作。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展，以及有新器件加入設(shè)計(jì)時(shí)，可以輕松調(diào)整電源序列。時(shí)序參數(shù)和電壓跳變點(diǎn)很容易重新編程。這個(gè)功能非常有用，可以節(jié)省開發(fā)時(shí)間，降低電路板開發(fā)可能延誤的風(fēng)險(xiǎn)

數(shù)字輸出信號(hào)--PWRGD(電源良好)、VALID和SYSRST(系統(tǒng)恢復(fù))--由ADM1066在輪詢時(shí)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(shí)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(xiǎn)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(jìn)行電源余量微調(diào)

在系統(tǒng)開發(fā)期間，當(dāng)設(shè)計(jì)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(biāo)稱值時(shí)，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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面特性測(cè)試，而不需要使用外部?jī)x器。該功能通常是在在線測(cè)試(ICT)期間執(zhí)行，例如：當(dāng)制造商希望保證受測(cè)產(chǎn)品能夠在標(biāo)稱電源電壓±5%的范圍內(nèi)正常工作時(shí)?；趫D4所示的電路，用戶可以在許多電源軌上實(shí)現(xiàn)余量微調(diào)。

開環(huán)電源余量微調(diào)

對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器或LDO等電源進(jìn)行余量微調(diào)的最簡(jiǎn)單方法，是將額外電阻切換到電源模塊的反饋節(jié)點(diǎn)中，以改變反饋或調(diào)整節(jié)點(diǎn)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(shí)，可以通過SMBus更新相關(guān)DAC輸出的值，從而遠(yuǎn)程命令A(yù)DM11066執(zhí)行電源余量微調(diào)。該過程可以利用獨(dú)立于系統(tǒng)控制環(huán)路的開環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖5. 開環(huán)余量微調(diào)

ADM1066最多可以為6個(gè)電源執(zhí)行開環(huán)余量微調(diào)，它利用6個(gè)片上電壓輸出DAC(DAC1至DAC6)驅(qū)動(dòng)要微調(diào)的電源模塊的反饋引腳。實(shí)現(xiàn)這一功能的最簡(jiǎn)單電路是利用一個(gè)衰減電阻(R3)，將DACx引腳連接到DC/DC轉(zhuǎn)換器的反饋節(jié)點(diǎn)。當(dāng)DACx輸出電壓設(shè)定為與反饋電壓相等時(shí)，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(dāng)DACx輸出電壓高于反饋電壓時(shí)，電流流入反饋節(jié)點(diǎn)，DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出必須下降以進(jìn)行補(bǔ)償。要提升DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出，DACx輸出電壓設(shè)定值須低于反饋節(jié)點(diǎn)電壓。為降低噪聲，如圖中所示，可以將該串聯(lián)電阻分成兩個(gè)電阻，其間的節(jié)點(diǎn)可以通過一個(gè)電容去耦到DC/DC轉(zhuǎn)換器的地

閉環(huán)電源余量微調(diào)

一種更精確、更全面的余量微調(diào)方法是在閉環(huán)系統(tǒng)中使用類似的電路。圖4所示為針對(duì)1.2 V輸出的一個(gè)例子。要微調(diào)的電源軌電壓可以通過VX2回讀，確保將其精確調(diào)整到目標(biāo)電壓。ADM1066集成了執(zhí)行微調(diào)所需的全部電路，12位逐次逼近型ADC用于讀取受監(jiān)控電壓的電平，6個(gè)電壓輸出DAC用于按照上述方法調(diào)整電源電平。這些電路可以配合微控制器等其它智能器件使用，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)余量微調(diào)系統(tǒng)，它可以將DC/DC轉(zhuǎn)換器或LDO電源設(shè)定到任何電壓，精度為目標(biāo)值的±0.5%.

為了在要測(cè)試的電源軌上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)余量微調(diào)，請(qǐng)執(zhí)行下列步驟：

禁用6路DACx輸出。

DACx輸出電壓設(shè)定為反饋節(jié)點(diǎn)電壓

使能DAC

讀取連接到VPx、VH或VXx引腳之一的DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出的電壓。

需要時(shí)，提高或降低DACx輸出電壓以調(diào)整DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓。否則就停止，目標(biāo)電壓已經(jīng)達(dá)到。

將DAC輸出電壓設(shè)定為某一值，使電源輸出改變所需的幅度(例如±5%)。

重復(fù)該過程，直至達(dá)到該電源軌所需的電壓

步驟1至3確保各DACx輸出緩沖器開啟時(shí)，它對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出的直接影響非常小。DAC輸出緩沖器的作用是消除上電時(shí)的瞬變"毛刺",因?yàn)榫彌_器首先上電并跟隨引腳電壓，此時(shí)它不驅(qū)動(dòng)該引腳。一旦輸出緩沖器正確使能，緩沖器輸入即切換到DAC,緩沖器的輸出級(jí)開啟，從而消除輸出毛刺。

開關(guān)調(diào)節(jié)器的同步

在具有多個(gè)電源軌并使用一個(gè)以上開關(guān)調(diào)節(jié)器或控制器的系統(tǒng)中，由于內(nèi)部開關(guān)頻率的差異，這些器件之間可能會(huì)相互作用。這會(huì)引起拍頻諧波，大幅提高電源噪聲，嚴(yán)重影響EMI測(cè)試。幸運(yùn)的是，許多開關(guān)控制器和調(diào)節(jié)器在設(shè)計(jì)上都支持內(nèi)部時(shí)鐘同步。LDO不存在這個(gè)問題，但其電流輸出有限，并且在大多數(shù)情況效率較差，因此有時(shí)可能不合需要。

雙通道開關(guān)調(diào)節(jié)器ADP2116 就是可同步器件的一個(gè)很好的例子。通過SCFG引腳，可將其SYNC/CLKOUT引腳配置為輸入SYNC引腳或輸出CLKOUT引腳。作為輸入SYNC引腳，它可讓ADP2116與外部時(shí)鐘同步，兩個(gè)通道以外部時(shí)鐘頻率的一半、彼此180°錯(cuò)相工作。

作為輸出CLKOUT引腳，它可提供輸出時(shí)鐘，其頻率是通道開關(guān)頻率的兩倍且90°錯(cuò)相。因此，一個(gè)配置為CLKOUT的ADP2116可以充當(dāng)主轉(zhuǎn)換器，為所有其它DC/DC轉(zhuǎn)換器(包括其它ADP2116器件)提供外部時(shí)鐘(圖6)。配置為從器件時(shí)，它接收主器件的外部時(shí)鐘并與之同步。通過同步系統(tǒng)內(nèi)的所有DC/DC轉(zhuǎn)換器，這種方法可防止產(chǎn)生能導(dǎo)致EMI問題的拍頻諧波。

圖6. 利用外部時(shí)鐘同步多個(gè)ADP2116

結(jié)束語(yǔ)

本文討論多電源系統(tǒng)的處理方法。時(shí)序控制器、監(jiān)控器、調(diào)節(jié)器和控制器具有非常高的功能集成度，便于設(shè)計(jì)工程師處理潛在的電源問題，而無需采用全部是分立IC的電路板。這些器件對(duì)設(shè)計(jì)工程師非常有用，可以提高設(shè)計(jì)成功的概率，降低重新設(shè)計(jì)的可能性和電路板開發(fā)延誤的風(fēng)險(xiǎn)。