電源跟蹤技術(shù)

引言

---當(dāng)今的大多數(shù)電子產(chǎn)品（從手持式消費(fèi)電子設(shè)備到龐大的電信系統(tǒng)）都需要使用多個(gè)電源電壓。電源電壓數(shù)目的增加帶來(lái)了一項(xiàng)設(shè)計(jì)難題，即需要對(duì)電源的相對(duì)上電和斷電特性進(jìn)行控制，以消除數(shù)字系統(tǒng)遭受損壞或發(fā)生閉鎖的可能性。

---微處理器、FPGA和ASIC在上電和斷電期間通常要求內(nèi)核與I/O電壓之間具有某種特定的關(guān)系，而這種關(guān)系在實(shí)際操作中是很難控制的，尤其是當(dāng)電源的數(shù)目較多的時(shí)候。當(dāng)不同類型的電源（模塊、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器）混合使用時(shí)，該問(wèn)題會(huì)進(jìn)一步復(fù)雜化。最簡(jiǎn)單的解決方案就是將電源按序排列，但是，在某些場(chǎng)合，這種做法是不足夠的。一種更受青睞而且往往是強(qiáng)制性的解決方案是使各個(gè)電源在上電和斷電期間彼此跟蹤。

電源排序

---簡(jiǎn)單地按某種預(yù)先確定的順序來(lái)接通或關(guān)斷電源的做法一般被稱為“排序”。排序通常能夠通過(guò)采用電源監(jiān)控器或簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯電路來(lái)控制電源的接通/關(guān)斷（或RUN/SS）引腳而得以實(shí)現(xiàn)。圖1a和1b示出了采用一個(gè)LTC2902四通道電源監(jiān)控器來(lái)對(duì)4個(gè)電源進(jìn)行排序的情形。

---不幸的是，單靠排序有時(shí)是不夠的。許多數(shù)字IC都在其I/O和內(nèi)核電源之間規(guī)定了一個(gè)最大電壓差，一旦它被超過(guò)則IC將會(huì)受損。在這些場(chǎng)合，對(duì)應(yīng)的解決方案是使電源電壓彼此跟蹤。

電源跟蹤

---排序只是簡(jiǎn)單地規(guī)定了電源斜坡上升或斜坡下降的順序，并且假定每個(gè)電源都在下一個(gè)電源開(kāi)始變化之前轉(zhuǎn)換。電源跟蹤可確保電源之間的關(guān)系在整個(gè)上電和斷電過(guò)程中都是可以預(yù)測(cè)。

---圖2示出了三種不同的電源跟蹤形式。最常見(jiàn)是重合跟蹤（見(jiàn)圖2a），此時(shí)，各電壓在達(dá)到其調(diào)節(jié)值之前是相等的。當(dāng)采用偏移跟蹤時(shí)（見(jiàn)圖2b），各電壓以相同的速率斜坡上升，但被預(yù)先設(shè)定的電壓偏移或延時(shí)所分離。最后，當(dāng)采用比例制跟蹤時(shí)（見(jiàn)圖2c），各電壓同時(shí)開(kāi)始斜坡上升，但速率不同。

---實(shí)際上，隨著設(shè)計(jì)精細(xì)等級(jí)的不斷提升，能夠使各電源相互跟蹤。三種最常見(jiàn)的方法是（1）在電源之間采用鉗位二極管；（2）布設(shè)與輸出端串聯(lián)的MOSFET；（3）利用反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制輸出。

---如欲將各電源之間的電壓差保持在一個(gè)或兩個(gè)二極管壓降之內(nèi)，則可在電源軌之間采用鉗位二極管或晶體管，這種解決方案雖然粗暴，但卻簡(jiǎn)單（見(jiàn)圖3）。在低電流條件下，該技術(shù)會(huì)是有效的，然而在高電流水平時(shí)，采用這種方法的后果則可能是災(zāi)難性。同步開(kāi)關(guān)電源能夠供應(yīng)和吸收大量的電流。如果電壓較高的電源斜坡上升速率高于電壓較低的電源，則二極管或FET將接通，以便對(duì)電壓較低的電源進(jìn)行上拉操作。電壓較低的電源將因此而吸收較多的電流，從而會(huì)有巨大的電流流過(guò)。這有可能導(dǎo)致電源超過(guò)容許的電壓差，甚至引發(fā)器件故障。完全依靠二極管或FET鉗位來(lái)實(shí)現(xiàn)跟蹤功能并非最佳的解決方案。

---另一種跟蹤解決方案是在電源的輸出端與負(fù)載之間布設(shè)串聯(lián)MOSFET。在圖4中，一個(gè)LTC2921跟蹤三個(gè)電源。當(dāng)首次施加電源時(shí)，MOSFET被關(guān)斷且電源被允許以其自然速率斜坡上升。當(dāng)電壓穩(wěn)定下來(lái)之后，MOSFET被同時(shí)接通，使得負(fù)載上的電壓相互跟蹤。這種技術(shù)需要用于驅(qū)動(dòng)MOSFET和監(jiān)視電源電壓的電路，而且，當(dāng)電流水平上升時(shí)，MOSFET中的壓降和功耗便成為了一個(gè)問(wèn)題。此外，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還因?yàn)槊總€(gè)電源上的負(fù)載電容和負(fù)載電流可能有所不同的緣故，而使得電壓的同步斜坡下降比較難以實(shí)現(xiàn)。

---第三種方法是利用反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，以此來(lái)使電源相互跟蹤。最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法是將電流注入電源的反饋節(jié)點(diǎn)。在圖5中，一個(gè)LTC2923跟蹤兩個(gè)電源。生成了一個(gè)主斜坡，而且電路被連接至其他從屬電源的誤差放大器反饋節(jié)點(diǎn)，從而使其輸出跟隨該主斜坡。該電路還使得電壓能夠一同斜坡下降。該技術(shù)是最精巧的，因?yàn)樗恍枰捎么?lián)MOSFET或鉗位二極管。然而，并不是所有的電源都具有可以使用的反饋節(jié)點(diǎn)，而且，雖然許多電源模塊都具有一個(gè)修整引腳，但是一般來(lái)說(shuō)輸出電壓只能在一個(gè)很小的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。因此，大多數(shù)實(shí)際解決方案均要求采用了上述幾類技術(shù)的某種組合。

設(shè)計(jì)實(shí)例

---圖6中的電路在利用3.3V電源生成2.5V和1.8V電源的情況下實(shí)現(xiàn)了電源跟蹤。在本例中采用了LTC2923，3.3V電源受控于一個(gè)N溝道MOSFET，而2.5V和1.8V DC/DC轉(zhuǎn)換器則是通過(guò)其反饋節(jié)點(diǎn)得以控制的。

---當(dāng)3.3V輸入電源接通時(shí)，晶體管Q1和兩個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器被保持在關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)3.3V輸入上升（利用電阻器RONA和RONB在ON引腳上進(jìn)行檢測(cè)）之后，Q1的柵極由一個(gè)內(nèi)部充電泵緩慢地接通。由于Q1被配置為一個(gè)N溝道源極跟隨器，因此，RAMP引腳電平開(kāi)始上升，并提供用于系統(tǒng)的主電壓斜坡。

---當(dāng)針對(duì)重合跟蹤來(lái)對(duì)TRACK1和TRACK2引腳上的電阻器進(jìn)行配置時(shí)，電流被強(qiáng)迫流入或流出DC/DC轉(zhuǎn)換器反饋節(jié)點(diǎn)，這樣其輸出將跟蹤RAMP引腳電平的變化。圖2a中的示波器掃跡便是采用該電路生成的。

--一旦達(dá)到最終電壓，LTC2923的FB1和FB2引腳將呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。如果ON引腳被一個(gè)漏極開(kāi)路邏輯器件拉至低電平，則輸出將尾隨降至低電平。通過(guò)改變與TRACK1和TRACK2引腳相連的電阻器阻值，可使同一個(gè)電路進(jìn)行比例制跟蹤或偏移跟蹤模式的斜坡上升。圖2b和2c中給出的示波器掃跡便是以這種方式生成的。另一種電阻器選擇能夠采用3.3V電源作為基準(zhǔn)電壓斜坡來(lái)對(duì)1.8V和2.5V電源進(jìn)行排序（見(jiàn)圖7）。對(duì)于需要三個(gè)以上電源的系統(tǒng)，可通過(guò)RAMP引腳對(duì)多個(gè)LTC2923控制器進(jìn)行菊鏈?zhǔn)竭B接，以便控制數(shù)目不限的電源。

---當(dāng)不能使用DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊的反饋節(jié)點(diǎn)時(shí)，可采用串聯(lián)MOSFET來(lái)對(duì)電源進(jìn)行跟蹤。圖8a中的電路采用LTC2922來(lái)跟蹤三個(gè)電源。圖8b示出了該電路的輸出。當(dāng)首次施加電源時(shí)，串聯(lián)MOSFET被關(guān)斷，且5V、3.3V和2.5V電源被允許上電。當(dāng)電壓穩(wěn)定后，MOSFET被接通，輸出電壓一起上電。當(dāng)輸出電壓達(dá)到其終值時(shí)，內(nèi)部開(kāi)關(guān)從輸出端回接至模塊上的正檢測(cè)引腳。這將迫使模塊對(duì)MOSFET的負(fù)載側(cè)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償FET兩端的壓降。采用一個(gè)檢測(cè)電阻器來(lái)提供電路斷路器功能，以保護(hù)主電源免遭短路故障的損壞，而一個(gè)電源良好（Power Good）引腳用于指示跟蹤已完成。

結(jié)論

---對(duì)于大多數(shù)多電源設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，相比簡(jiǎn)單的電源排序，使各電源的電壓執(zhí)行同步上升和下降跟蹤是更加可取的解決方案。雖然從理論上講這樣做較為困難，但已經(jīng)有了專用器件，這些器件能夠極大地簡(jiǎn)化跟蹤電路的設(shè)計(jì) —— 即使在采用了大量特性迥然不同的電源系統(tǒng)中也是如此。