實(shí)現(xiàn)多電源時(shí)序控制和跟蹤的電路設(shè)計(jì)

隨著多電源電子系統(tǒng)和IC的數(shù)量的增加，為確保系統(tǒng)在操作前正確上電，對(duì)電源時(shí)序控制的需求變得越來(lái)越迫切。這種電源時(shí)序控制對(duì)消除復(fù)雜IC(如微處理器、ASIC和 FPGA)中的閂鎖效應(yīng)尤其重要。此外，一些系統(tǒng)和IC也對(duì)斷電時(shí)序控制有要求。

傳統(tǒng)上，電源IC都具有電源時(shí)序控制功能。然而，隨著系統(tǒng)中電源數(shù)量的增多，這些IC的功能已難以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。因此，需要針對(duì)這些應(yīng)用推出新的解決方案。為滿(mǎn)足這些要求，許多制造商推出了各具特色的新型IC，這些IC具有帶高級(jí)功能操作和差異化特性的電源電壓時(shí)序控制和多電源軌跟蹤功能。

電源時(shí)序控制IC的主要功能是控制多電壓之間的上電時(shí)序，有時(shí)也包括斷電時(shí)序。設(shè)計(jì)工程師可以通過(guò)控制串聯(lián)開(kāi)關(guān)(通常是MOSFET)直接控制不同的電壓軌，完成時(shí)序控制；或者通過(guò)一系列順序使能信號(hào)控制下游電源或者DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊,從而間接控制電壓軌，完成時(shí)序控制(圖1和圖2)。

當(dāng)系統(tǒng)具有幾個(gè)不同的分布式電壓時(shí)，利用導(dǎo)通電阻低的FET進(jìn)行直接控制是一個(gè)更好的電源時(shí)序控制實(shí)現(xiàn)方案。為克服分布式布線和FET壓降，可適當(dāng)提高分布式電壓以留出更多裕量。但在某些具有大負(fù)載電流或者未使用導(dǎo)通電阻低的FET的應(yīng)用中，這種方法通常會(huì)有些問(wèn)題。間接時(shí)序控制方法能以低損耗方式對(duì)負(fù)載點(diǎn)DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行時(shí)序控制，從而避免串聯(lián)FET和電路板走線電阻的分布損耗。

圖1：利用MOSFET的直接電源時(shí)序控制。

這種架構(gòu)可以通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn)：第一種方法是監(jiān)測(cè)輸出電壓，以確保在下一級(jí)電源導(dǎo)通之前確保電壓符合調(diào)節(jié)范圍；第二種方法是利用定時(shí)序列為前一級(jí)電源電壓達(dá)到電壓調(diào)節(jié)范圍留出充足的時(shí)間。后一種方法和轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通特性密切相關(guān)，因此必須知道轉(zhuǎn)換器從使能到電源電壓正常之間的時(shí)間，以保證只有在前一級(jí)的轉(zhuǎn)換器滿(mǎn)足最低輸出電壓要求后才導(dǎo)通下一級(jí)轉(zhuǎn)換器。這一段必要的延遲時(shí)間在很大程度上依賴(lài)于負(fù)載，因此要求可以很容易調(diào)節(jié)電源時(shí)序控制IC的延遲時(shí)間設(shè)置。在允許電壓同步上升的應(yīng)用中，可采用具有不同跟蹤能力的電源時(shí)序控制器。

電源時(shí)序控制器的另一個(gè)功能，是確保在時(shí)序啟動(dòng)之前系統(tǒng)具有最低可接受電壓，并確保如果系統(tǒng)不能維持這個(gè)最低電壓，則電源時(shí)序控制器將在操作期間對(duì)此作出反應(yīng)。目前有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)這種功能。一種方法是直接將被監(jiān)視的電壓和固定的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較，從而控制兩個(gè)或者多個(gè)公共電源電壓。該方法雖然可以使BOM的元件數(shù)量最小，但靈活性低。另一種方法是提供內(nèi)部電壓基準(zhǔn)的外部設(shè)置端口，以便能通過(guò)電阻分壓器，單獨(dú)設(shè)定最低可接受電壓閾值。這種方法使得一種電源時(shí)序控制器可在多個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中使用，而且還能通過(guò)不同的設(shè)置使之能在任意組合的受控電源中使用。

圖2：利用邏輯信號(hào)使能負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的間接電源時(shí)序控制。

有多種方式可以不同輸出電壓時(shí)序控制之間的定時(shí)、順序和可調(diào)節(jié)延遲控制。(1)使用固定序列，這樣IC的上升和下降時(shí)序便是固定的；還有一些IC的靈活性非常高，這樣可以選擇任意的電壓變化斜坡。(2)采用由電壓決定起始點(diǎn)的方式，這可通過(guò)在下一個(gè)時(shí)序發(fā)生之前監(jiān)視輸出電壓或者FET的柵電壓得以實(shí)現(xiàn)。(3)利用外部定時(shí)元件、電阻或者電容來(lái)設(shè)置時(shí)序和/或到下一次上升/下降斜坡的延遲。通過(guò)一個(gè)電流源將這些外部元件充電到某個(gè)閾值電壓，該閾值電壓決定了電源的時(shí)序控制操作。這些外部元件還可以組成內(nèi)部計(jì)數(shù)器的定時(shí)元件。一般情況下，這些元件的數(shù)目將根據(jù)不同的延遲時(shí)間要求而有所不同，某些定時(shí)要求可能會(huì)消除一些公共元件或者使用某些公共元件。

圖3給出了一種電源時(shí)序控制器，它采用非常靈活的方法對(duì)電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)、時(shí)序排序和定時(shí)。由于無(wú)源元件的值的選擇非常靈活，所以可以很容易地在整個(gè)板級(jí)設(shè)計(jì)或者多個(gè)板級(jí)設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)單地復(fù)制該方法。

 圖3：典型的ISL6123應(yīng)用電路圖，該四路電源時(shí)序控制器具備完全可調(diào)節(jié)的鎖定電壓閾值、時(shí)序順序和定時(shí)功能。

大多數(shù)電源時(shí)序控制器都具備的另一個(gè)特性，是它們能在系統(tǒng)內(nèi)部或外部進(jìn)行通訊；一些IC通過(guò)串行通信協(xié)議，另一些IC則通過(guò)專(zhuān)用I/O信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊功能，以傳遞必要信息(比如電壓正常狀態(tài))。大多數(shù)IC制造商充分考慮了設(shè)計(jì)成本的問(wèn)題，在同一產(chǎn)品系列中提供具備上述部分功能或者所有通訊方式功能的IC產(chǎn)品。OEM廠商可能會(huì)在產(chǎn)品原型、生產(chǎn)和測(cè)試階段使用某些通信功能，而在系統(tǒng)操作期間使用其它通訊功能。

圖4至圖6詳細(xì)介紹了電源時(shí)序控制器的一些基本電路操作。所有這些圖都基于Intersil ISL612X系列電源時(shí)序控制器。該控制器是具備理想控制功能的電源時(shí)序控制器的典范。電源時(shí)序控制器有如此豐富的功能和特性，以致使你很難作出選擇。選擇一個(gè)具有寬范圍配置靈活性的解決方案，會(huì)提供在系統(tǒng)層次上優(yōu)化解決方案的機(jī)會(huì)。例如，你可以將幾個(gè)IC進(jìn)行菊環(huán)鏈級(jí)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大量不同電壓的電源、雙極性電源進(jìn)行時(shí)序控制，還可以對(duì)電壓的斜升和斜降進(jìn)行跟蹤控制。

目前，大多數(shù)電源時(shí)序控制器都針對(duì)特定需求提供特定的解決方案。它們往往由多個(gè)IC構(gòu)成，可進(jìn)行不同的設(shè)置。例如，在冗余電源系統(tǒng)的應(yīng)用中，電源時(shí)序控制器不但要在上電電路功能初始化之前具備冗余能力，而且必須具有支持預(yù)約替換和維護(hù)的能力。ISL6128就是這樣一種電源時(shí)序控制器，它集成了兩個(gè)電源時(shí)序控制輸出，這兩個(gè)輸出分別在兩個(gè)不同的組。

圖4：對(duì)四個(gè)電源電壓進(jìn)行不同時(shí)序順序的升/降控制。

如圖7所示，通過(guò)對(duì)電壓源進(jìn)行獨(dú)立和連續(xù)的監(jiān)測(cè)，該IC可以保證冗余電源能力在電源使用前已經(jīng)具備。一旦上電，同組的兩個(gè)電源首先只在各自組中完成電源時(shí)序控制，然后兩個(gè)組的電源再通過(guò)ORing元件和公共電壓軌連接。在操作過(guò)程中，如果任何一個(gè)電源電壓降到額定調(diào)節(jié)范圍以下，只有發(fā)生故障的那組的傳輸開(kāi)關(guān)會(huì)斷開(kāi)，從而在不干擾相鄰電源正常工作的情況下，將有故障的電源和公共電壓軌隔離。這時(shí)，可以安裝一個(gè)替代電源，并利用相關(guān)的輸入重新和公共線路建立連接。此外，可以通過(guò)對(duì)每個(gè)組分別執(zhí)行斷開(kāi)和閉合操作來(lái)實(shí)現(xiàn)電源的日常替換或者升級(jí)。

目前還出現(xiàn)了客戶(hù)定制的電源時(shí)序控制器。這些定制的電源時(shí)序控制器具有針對(duì)不同通信應(yīng)用的高電壓(90V)偏置能力，可以對(duì)具備特定I/O接口特性和能力(例如：板載EEPROM、高-低窗口電壓的一致性、固定的內(nèi)部和外部可調(diào)節(jié)閾值電壓等)、狹義上的高值負(fù)載進(jìn)行監(jiān)視保護(hù)。

圖5：四個(gè)電源電壓的升/降進(jìn)行同步跟蹤控制。

全新類(lèi)型的器件不但具有對(duì)多種電源電壓進(jìn)行時(shí)序控制和/或跟蹤的能力，還具有熱插拔/熱切換的功能，從而降低成本和復(fù)雜度。以ISL6173為例，ISL6173是一個(gè)全新的支持雙低電壓電源熱插拔功能的IC，能對(duì)這兩個(gè)電源進(jìn)行時(shí)序控制或者跟蹤。此外，在系統(tǒng)上采用多個(gè)ISL6173也非常簡(jiǎn)單，這樣就能在更多的電壓軌上提供這種能力。ISL6173的設(shè)計(jì)也允許這種多配置方式。

圖6：+5V/-5V雙極性電源和+2.5V電源的時(shí)序控制。

ISL6173采用單獨(dú)的使能輸入控制每個(gè)電壓，可以被配置成依賴(lài)于電壓的電源時(shí)序控制器。在這種控制方式下，由PG輸出信號(hào)指示的前一個(gè)輸出電壓的狀態(tài)，決定了什么時(shí)候開(kāi)始下一個(gè)上電操作。圖8為簡(jiǎn)化的配置電路圖。

圖7：基于ISL6128的冗余電源時(shí)序控制電路。

利用SS輸出，相關(guān)的輸出電壓可以跟蹤引腳至地的電容導(dǎo)通時(shí)所產(chǎn)生的電壓斜坡。這個(gè)特性允許負(fù)載軟啟動(dòng)，以便用一個(gè)公用的使能信號(hào)實(shí)現(xiàn)比率導(dǎo)通(ratiometric turn-on)方式。調(diào)節(jié)SS電容值的適當(dāng)比例，可以使電壓以不同的速率上升，以使每個(gè)輸出電壓與它最終值的相對(duì)百分比相匹配，如圖9所示。此外，由于兩個(gè)電源將跟蹤兩個(gè)SS引腳上的一個(gè)共用斜坡電壓，所以可以利用兩個(gè)SS引腳上的公用電容對(duì)導(dǎo)通進(jìn)行同步跟蹤，如圖10所示。

圖8：簡(jiǎn)化的ISL6173電源時(shí)序控制配置電路圖。

總之，電源時(shí)序控制器具有支持多種配置和實(shí)現(xiàn)方案的靈活性，可簡(jiǎn)化電源電壓時(shí)序控制和跟蹤的實(shí)現(xiàn)電路。另外，在具有合適特性和靈活性的單個(gè)IC內(nèi)集成多個(gè)新功能，如熱插拔/熱切換、電源時(shí)序控制和/或跟蹤，使得電源時(shí)序控制器可以在現(xiàn)代電子系統(tǒng)的多電壓供電方面發(fā)揮更大作用功能。

圖9：3.3V 和1.5V 的比例跟蹤圖。3.3V：Css=0.033uF，1.5V：Css=0.072uF。

圖10：3.3V和1.5V時(shí)，利用公用SS電容進(jìn)行同步電源跟蹤，Css=0.066uF。