電源設(shè)計(jì)人員正在使用靈活的電源監(jiān)控、排序和調(diào)整電路來管理其系統(tǒng)。本文討論原因和方法。

多年來，對越來越多的電源電壓軌進(jìn)行監(jiān)測和控制對于電子系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、耐用性和正常運(yùn)行至關(guān)重要，尤其是對于采用微處理器的系統(tǒng)。確定電壓軌是高于閾值還是在工作窗口內(nèi)，以及該電壓相對于其他電壓軌是否以正確的順序上電或關(guān)斷，對于操作可靠性和安全性至關(guān)重要。

有許多方法可以解決這個(gè)問題的各個(gè)方面。例如，使用精密電阻分壓器、比較器和基準(zhǔn)電壓源的簡單電路可用于確定電源軌上的電壓是高于還是低于某個(gè)電平。在ADM803等復(fù)位發(fā)生器中，這些元件與延遲元件相結(jié)合，以在上電時(shí)保持微處理器、專用IC（ASIC）和數(shù)字信號處理器（DSP）等器件處于復(fù)位狀態(tài)。這種級別的監(jiān)控足以滿足許多應(yīng)用的需求。

在需要監(jiān)控多個(gè)電源軌的情況下，多個(gè)器件（或多通道比較器及其相關(guān)電路）被并聯(lián)使用，但越來越多的機(jī)會(huì)要求監(jiān)控IC不僅僅是簡單的閾值比較。

例如，考慮電源排序的常見要求：FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）制造商可能規(guī)定，3.3 V內(nèi)核電壓必須在20 V I/O（輸入/輸出）電壓之前5 ms施加，以避免器件上電時(shí)可能造成的損壞。滿足這種排序要求對于可靠性而言可能與將器件的電源電壓和溫度保持在規(guī)定的工作限值內(nèi)一樣重要。

此外，許多應(yīng)用中的電源軌數(shù)量也急劇增加。復(fù)雜、昂貴的系統(tǒng)，如 LAN 交換機(jī)和蜂窩基站，通常具有具有 10 個(gè)或更多電壓軌的線卡;但即使是對成本敏感的消費(fèi)類系統(tǒng)，如等離子電視，也可能有多達(dá)15個(gè)獨(dú)立的電壓軌，其中許多可能需要監(jiān)控和排序。

許多高性能IC現(xiàn)在需要多個(gè)電壓。例如，獨(dú)立的內(nèi)核和I/O電壓是許多器件的標(biāo)準(zhǔn)配置。在高端，DSP可能需要每個(gè)器件多達(dá)四個(gè)獨(dú)立的電源。在許多情況下，多個(gè)多電源器件可以在包含F(xiàn)PGA、ASIC、DSP、微處理器和微控制器（以及模擬組件）的單個(gè)系統(tǒng)中共存。

許多器件共享標(biāo)準(zhǔn)電壓電平（例如 3.3 V），而其他器件可能需要特定于器件的電壓。此外，特定的標(biāo)準(zhǔn)電壓電平可能必須在許多地方獨(dú)立提供。例如，獨(dú)立的模擬和數(shù)字電源，如3.3 V模擬和 3.3 V數(shù)字，可能是必需的。為了提高效率（例如，以數(shù)百安培運(yùn)行的存儲(chǔ)器軌）或滿足排序要求（3.3 V），可能需要多次產(chǎn)生相同的電壓一個(gè)和 3.3 VB在不同時(shí)間由單獨(dú)的設(shè)備需要）。所有這些因素都會(huì)導(dǎo)致電壓源的擴(kuò)散。

電壓監(jiān)控和排序可能會(huì)變得相當(dāng)復(fù)雜，特別是如果系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)為支持上電時(shí)序、省電時(shí)序以及對工作期間不同點(diǎn)各種電源軌上所有可能的故障條件的多重響應(yīng)。中央電源管理控制器是解決此問題的最佳方法。

隨著電源電壓數(shù)量的增加，出現(xiàn)問題的可能性要高得多。風(fēng)險(xiǎn)與電源數(shù)量、元件數(shù)量和系統(tǒng)復(fù)雜性成正比。外部因素也會(huì)增加風(fēng)險(xiǎn)。例如，如果在初始設(shè)計(jì)時(shí)主ASIC沒有完全表征，則電源設(shè)計(jì)人員必須致力于硬接線電壓監(jiān)控閾值和時(shí)序，這些閾值和時(shí)序可能會(huì)隨著ASIC規(guī)范的開發(fā)而發(fā)生變化。如果要求發(fā)生變化，可能需要修改 PC 板，這顯然會(huì)影響進(jìn)度和成本。此外，某些器件的電源電壓規(guī)格在開發(fā)過程中可能會(huì)發(fā)生變化。在這種情況下，一種隨時(shí)調(diào)整電源的方法對任何中央電力系統(tǒng)管理者都是有用的。事實(shí)上，監(jiān)控、排序和調(diào)整此類系統(tǒng)的電壓軌的靈活性至關(guān)重要。

評估所選故障保護(hù)和時(shí)序的魯棒性可能是一項(xiàng)艱巨的工作，因此簡化此過程的器件將加快電路板評估并縮短上市時(shí)間。故障記錄和數(shù)字化電壓和溫度數(shù)據(jù)是有用的功能，無論是在現(xiàn)場還是在從早期PCB開發(fā)到原型評估的所有設(shè)計(jì)階段。

基本監(jiān)控

圖1顯示了使用ADCMP354比較器和基準(zhǔn)電壓源IC監(jiān)控多個(gè)電壓軌的簡單方法。每個(gè)電源軌使用單獨(dú)的電路。電阻分壓器可降低電壓軌，為每個(gè)電源設(shè)置一個(gè)欠壓跳變點(diǎn)。所有輸出連接在一起以產(chǎn)生一個(gè)公共電源良好信號。

圖1.基于比較器的欠壓檢測，具有用于三電源系統(tǒng)的通用電源就緒輸出。

基本排序

圖2顯示了如何使用分立元件實(shí)現(xiàn)基本時(shí)序控制，使用邏輯閾值而不是比較器。12V 和 5V 電源軌已在其他地方產(chǎn)生。必須引入時(shí)間延遲以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。這是通過使用電阻-電容 （RC） 組合緩慢斜坡使 n 溝道 FET 上的柵極電壓與 5V 電源串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)的。選擇 RC 值以確保在 FET 達(dá)到其電壓閾值并開始導(dǎo)通之前有足夠的時(shí)間延遲。3.3 V和1.8 V電源軌由低壓差（LDO）穩(wěn)壓器ADP3330和ADP3333產(chǎn)生。這些電壓的導(dǎo)通時(shí)間也由RC排序。無需串聯(lián)FET，因?yàn)镽C驅(qū)動(dòng)每個(gè)LDO的關(guān)斷（/SD）引腳。選擇 RC 值以確保足夠的時(shí)間延遲 （t2,t3），在 /SD 引腳上的電壓攀升到其閾值以上之前。

圖2.四電源系統(tǒng)的基本離散時(shí)序控制。

這種簡單、低成本的電源排序方法占用的電路板面積很小，在許多應(yīng)用中完全可以接受。它適用于成本是主要驅(qū)動(dòng)因素、時(shí)序要求簡單且時(shí)序電路精度不重要的系統(tǒng)。

但許多情況需要比RC滯后電路更高的精度。此外，這種簡單的解決方案不允許以結(jié)構(gòu)化方式處理故障（例如，5V 電源故障最終會(huì)導(dǎo)致其他電源軌下降）。

使用 IC 進(jìn)行排序

圖3顯示了如何使用ADM6820和ADM1086電源排序IC在類似系統(tǒng)中精確可靠地對電源軌進(jìn)行時(shí)序控制。內(nèi)部比較器檢測電壓軌何時(shí)超過精確設(shè)定的水平。輸出在可編程導(dǎo)通延遲后置位，使能ADP3309和ADP3335穩(wěn)壓器按所需順序排列。閾值由電阻比確定;延遲由電容器建立。

圖3.對帶有監(jiān)控IC的四電源系統(tǒng)進(jìn)行排序。

提供多種電源排序IC。一些器件具有可用于直接啟用電源模塊的輸出，并提供多種輸出配置。有些包括板載電荷泵電壓發(fā)生器。這對于需要對上游產(chǎn)生但缺少高壓源（如 12V 電源軌）來驅(qū)動(dòng) n 溝道 FET 柵極的電源軌進(jìn)行排序的低壓系統(tǒng)特別有用。其中許多器件還具有使能引腳，允許來自按鈕開關(guān)或控制器的外部信號在需要時(shí)重新啟動(dòng)序列或關(guān)閉受控電源軌。

集成電源系統(tǒng)管理

一些系統(tǒng)具有如此多的電源軌，以至于使用大量IC并使用電阻和電容設(shè)置時(shí)序和閾值電平的分立方法變得過于復(fù)雜和昂貴，并且無法提供足夠的性能。

考慮一個(gè)具有八個(gè)電壓軌的系統(tǒng)，它需要復(fù)雜的上電順序。必須監(jiān)控每個(gè)電源軌的欠壓和過壓故障。發(fā)生故障時(shí)，可以根據(jù)故障機(jī)制關(guān)閉所有電壓，或者啟動(dòng)斷電序列。必須根據(jù)控制信號的狀態(tài)采取措施，并且必須根據(jù)電源的狀態(tài)生成標(biāo)志。使用分立器件和簡單IC實(shí)現(xiàn)如此復(fù)雜的電路可能需要數(shù)百個(gè)單獨(dú)的元件、大量的電路板空間和巨大的綜合成本。

在具有四個(gè)或更多電壓的系統(tǒng)中，使用集中式設(shè)備來管理電源可能是有意義的。這種方法的一個(gè)示例如圖 4 所示。

圖4.適用于八電源系統(tǒng)的集中排序和監(jiān)控解決方案。

集中監(jiān)控和排序

這ADM106x超級時(shí)序控制器?家庭繼續(xù)使用比較器，但有一些重要的區(qū)別。每個(gè)輸入專用于兩個(gè)比較器，因此可以實(shí)現(xiàn)欠壓和過壓檢測，從而為ADP1821和ADP2105DC-DC轉(zhuǎn)換器以及ADP1715 LDO創(chuàng)建的電源軌提供窗口監(jiān)控。欠壓故障是電源軌上電前的正常狀態(tài)，因此此指示用于排序。過壓情況通常表示嚴(yán)重故障（例如FET或電感短路），需要立即采取行動(dòng)。

電源數(shù)量較高的系統(tǒng)通常具有更高的復(fù)雜性，因此具有更嚴(yán)格的精度限制。此外，在1.0 V和0.9 V等較低電壓下，使用電阻設(shè)置精確閾值變得具有挑戰(zhàn)性。雖然在 10V 電源軌上可以接受 5% 的容差，但在 1V 電源軌上，此容差通常不足。ADM1066允許將輸入檢波器比較器閾值設(shè)置在1%的最壞情況下，與電壓（低至0.6 V）無關(guān)，并在整個(gè)器件溫度范圍內(nèi)設(shè)置。它為每個(gè)比較器增加了內(nèi)部毛刺濾波和遲滯。其邏輯輸入可用于啟動(dòng)上電序列、關(guān)斷所有電源軌或執(zhí)行其他功能。

來自比較器組的信息，輸入到強(qiáng)大而靈活的載物臺(tái)機(jī)芯中，可用于各種目的：

測 序：當(dāng)最近使能電源的輸出電壓進(jìn)入窗口時(shí)，可以觸發(fā)延時(shí)以接通上電序列中的下一個(gè)電源軌。復(fù)雜的時(shí)序，具有多個(gè)上電和斷電序列，或者上電和斷電的序列截然不同。

超時(shí)：如果已啟用的電源軌未按預(yù)期亮起，則可以采取適當(dāng)?shù)牟僮鬟^程（例如生成中斷或關(guān)閉系統(tǒng)）。純模擬解決方案將簡單地掛在序列中的該點(diǎn)。

監(jiān)測：如果任何電源軌上的電壓移出預(yù)設(shè)窗口，則可以采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)方案 - 具體取決于發(fā)生故障的電源軌、發(fā)生的故障類型和當(dāng)前工作模式。具有五個(gè)以上電源的系統(tǒng)通常價(jià)格昂貴，因此全面的故障保護(hù)至關(guān)重要。

板載電荷泵用于產(chǎn)生約12 V柵極驅(qū)動(dòng)，即使最高可用系統(tǒng)電壓低至3 V，也允許輸出直接驅(qū)動(dòng)串聯(lián)n溝道FET。附加輸出使能或關(guān)斷DC-DC轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器，允許輸出在內(nèi)部上拉至其中一個(gè)輸入或板載調(diào)節(jié)電壓。輸出也可以置位為漏極開路。輸出也可用作狀態(tài)信號，例如電源良好或上電復(fù)位。如果需要，狀態(tài) LED 可以直接從輸出驅(qū)動(dòng)。

供應(yīng)調(diào)整

除了監(jiān)控多個(gè)電壓軌并為復(fù)雜時(shí)序控制提供解決方案外，ADM1066等集成電源管理器件還提供臨時(shí)或永久調(diào)整各個(gè)電源軌電壓的工具。DC-DC轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器的電壓輸出可以通過調(diào)整該器件的微調(diào)或反饋節(jié)點(diǎn)上的電壓來改變。通常，模塊輸出和接地之間的電阻分壓器在微調(diào)/反饋引腳上設(shè)置標(biāo)稱電壓。這反過來又設(shè)置了一個(gè)標(biāo)稱輸出電壓。涉及切換額外電阻或控制反饋環(huán)路中的可變電阻的簡單方案將改變微調(diào)/反饋電壓，從而調(diào)整輸出電壓。

ADM1066配備數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），可直接控制微調(diào)/反饋節(jié)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)最高效率，這些DAC不在地和最大電壓之間工作;相反，它們在一個(gè)以標(biāo)稱微調(diào)/反饋電平為中心的相對狹窄的窗口內(nèi)工作。衰減電阻的值隨DAC的每次LSB變化而縮放功率模塊輸出的增量變化。這種開環(huán)調(diào)整提供的裕量增大和裕量減小電平與基準(zhǔn)電壓源電路中的數(shù)字電阻開關(guān)所獲得的水平相當(dāng)，并將輸出調(diào)整到類似的精度。

ADM1066還包括一個(gè)用于測量電源電壓的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），因此可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)電源調(diào)整方案。在給定的DAC輸出設(shè)置下，ADC對電源模塊的電壓輸出進(jìn)行數(shù)字化處理，并在軟件中與目標(biāo)電壓進(jìn)行比較。然后可以調(diào)整DAC，以校準(zhǔn)電壓輸出盡可能接近目標(biāo)電壓。這種閉環(huán)方案為電源調(diào)整提供了一種非常精確的方法。使用閉環(huán)方法時(shí)，外部電阻的精度完全無關(guān)緊要。在圖4中，DC-DC4的輸出電壓由其中一個(gè)片內(nèi)DAC調(diào)節(jié)。

供應(yīng)調(diào)整方案有兩個(gè)主要用途。第一種是電源裕量調(diào)節(jié)的概念，即測試系統(tǒng)對在設(shè)備指定電源電壓范圍的裕量下操作電源的響應(yīng)。數(shù)據(jù)通信、電信、蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)器和存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的制造商在交付給最終客戶之前，必須對其系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的測試。系統(tǒng)中的所有電源都將被指定為以一定的容差（例如，±5%，±10%）運(yùn)行。裕量允許將板載所有電源調(diào)整到容差范圍的高端和低端，并進(jìn)行測試以確保正確操作。具有電源調(diào)節(jié)功能的集中式電源管理器件可用于執(zhí)行此裕量測試，同時(shí)最大限度地減少對額外組件和PCB面積的需求，以執(zhí)行僅在制造商測試現(xiàn)場進(jìn)行裕量測試期間只需要一次的功能。

通常需要四角測試，即在設(shè)備的工作電壓和溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測試，因此ADM1062除了閉環(huán)電源裕量調(diào)節(jié)電路外，還集成了溫度檢測和回讀功能。

電源調(diào)整方案的第二個(gè)用途是補(bǔ)償現(xiàn)場的系統(tǒng)電源變化。造成這種變化的原因有很多。短期內(nèi)，電壓隨著溫度的變化而略有變化是很常見的。從長遠(yuǎn)來看，某些元件值可能會(huì)在產(chǎn)品的使用壽命內(nèi)略有漂移，這可能導(dǎo)致電壓漂移。ADC和DAC環(huán)路可以定期（例如，每10秒、30秒或60秒）與軟件校準(zhǔn)環(huán)路一起激活，以保持電壓保持在應(yīng)有的位置。

靈活性

ADM1066具有板載非易失性存儲(chǔ)器，允許根據(jù)需要多次重新編程，同時(shí)系統(tǒng)的排序和監(jiān)控需求在開發(fā)過程中不斷發(fā)展。這意味著硬件設(shè)計(jì)可以在原型過程的早期完成，并且可以隨著項(xiàng)目的進(jìn)展進(jìn)行監(jiān)控和排序的優(yōu)化。

數(shù)字溫度和電壓測量等功能簡化并加快了評估過程。裕量工具將允許在開發(fā)周期中調(diào)整電壓軌。因此，如果關(guān)鍵的ASIC、FPGA或處理器也在開發(fā)中，并且隨著新芯片修訂版的發(fā)布，電源電壓電平或排序要求處于不斷變化的狀態(tài)，則可以通過軟件GUI進(jìn)行簡單的調(diào)整。因此，電源管理器件可以在幾分鐘內(nèi)重新編程，以考慮這些變化，而無需物理更改電路板上的組件，或者更糟糕的是重新設(shè)計(jì)硬件。

結(jié)論

電壓軌數(shù)量的增加和電源排序的出現(xiàn)提高了對各種設(shè)備和系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)人員的要求，從筆記本電腦、機(jī)頂盒和汽車系統(tǒng)到服務(wù)器和存儲(chǔ)、蜂窩基站以及互聯(lián)網(wǎng)路由和交換系統(tǒng)。更嚴(yán)格的測試程序、更高水平的信息收集以及快速簡單的可編程性也令人感興趣，尤其是在中高端系統(tǒng)中。為了提高魯棒性和可靠性，并增加這些重要的新功能，有許多新的電源管理集成電路可用于幫助安全、高效、最小電路板面積解決這些問題，同時(shí)縮短上市時(shí)間。

審核編輯：郭婷