多年來(lái)，隨著(zhù)系統內電源數量的增多，為了確保其安全、經(jīng)濟、持續和正常的工作，特別是在使用微處理器時(shí)，對電源軌進(jìn)行監測和控制變得非常重要。確定電壓軌是超過(guò)閾值還是處于工作范圍內，以及該電壓相對于其它電壓軌是否按照正確的時(shí)序上電或斷電，這些對于系統運行的可靠性和安全性來(lái)說(shuō)都是至關(guān)重要的。
對于這個(gè)問(wèn)題，有許多解決方案。例如，利用由精密電阻分壓器、比較器和基準電壓源組成的簡(jiǎn)單電路，就能夠檢測電壓軌上的電壓是高于還是低于規定的電平。在復位發(fā)生器中，如ADM809，將這類(lèi)器件與延遲器件結合在一起，能夠使微處理器、ASIC(專(zhuān)用集成電路)以及DSP(數字信號處理器)等在上電時(shí)便處于復位狀態(tài)，這種類(lèi)型的監控適合于多種應用。
當需要監控多路電壓軌時(shí)，會(huì )需要更多的不只是用于簡(jiǎn)單監控電壓的監控IC。例如，考慮一個(gè)常見(jiàn)的電源時(shí)序控制需求：FPGA(現場(chǎng)可編程門(mén)陣列)制造商規定，在向器件提供5V I/O(輸入/輸出)電壓之前，必須先施加3.3V的內核電壓，并持續至少20ms，以避免器件上電時(shí)受到損壞。對于系統的可靠性來(lái)說(shuō)，滿(mǎn)足這樣的時(shí)序要求就像要保證器件在規定的電源電壓和溫度范圍內工作一樣至關(guān)重要。
隨著(zhù)應用的發(fā)展，電源軌數量也在顯著(zhù)增加。一些復雜、昂貴的系統，如LAN(局域網(wǎng))交換機和蜂窩電話(huà)基站，線(xiàn)路卡通常會(huì )包含10路或更多電壓軌;即使是成本敏感的消費類(lèi)系統，如等離子電視，也可能具有多達15路的獨立電壓軌，其中許多電壓軌都需要進(jìn)行監控和時(shí)序控制。
目前，許多高性能的IC都需要多路電壓。例如，提供獨立的內核電壓和I/O電壓已成為許多器件的標準。在高端系統中，每個(gè)DSP器件會(huì )需要多達四個(gè)獨立的電源。而在更多情況下，單一系統中可能存在著(zhù)大量的多電源器件，包括FPGA、ASIC、DSP、微處理器和微控制器(以及模擬器件)。
系統中有許多器件都可以采用標準電源電壓供電(如3.3V)，而另一些器件可能需要專(zhuān)用電壓。此外，某些標準電壓可能還需要用到很多不同的地方。例如，有時(shí)會(huì )需要像3.3 VANALOG和3.3 VDIGITAL這樣獨立的模擬電源和數字電源。為了提高效率(如存儲器電源軌的電流會(huì )達到數百安培)或滿(mǎn)足時(shí)序要求(個(gè)別器件在不同時(shí)間需要3.3 VA以及3.3 VB)，可能需要多次產(chǎn)生相同的電壓。所有這些因素都導致電源數量的增加。
電壓監控和時(shí)序控制有時(shí)會(huì )變得極為復雜，特別是當一個(gè)系統必須設計為能夠支持上電時(shí)序控制和斷電時(shí)序控制，并能夠在工作期間的不同時(shí)間點(diǎn)上對不同電源軌上的所有可能故障狀況均產(chǎn)生多種響應時(shí)。中心電源管理控制器是解決這個(gè)難題的最佳方案。
隨著(zhù)電源電壓數量的增加，發(fā)生故障的幾率也隨之增加。其風(fēng)險與電源數量、器件數量和系統復雜程度成正比，外部因素也會(huì )增加風(fēng)險。例如，如果在初始設計階段沒(méi)有完整地定義出主ASIC的特性，那么電源設計工程師必須用硬連線(xiàn)實(shí)現電壓監控閾值和時(shí)序控制，但這些都可能會(huì )隨著(zhù)ASIC技術(shù)指標的改變而發(fā)生變化。如果需求發(fā)生改變，那么PCB(印制電路板)必須進(jìn)行修改，這顯然會(huì )影響開(kāi)發(fā)進(jìn)度和成本。另外，某些特定器件的電源電壓技術(shù)指標可能會(huì )在開(kāi)發(fā)過(guò)程中有所改變。在這種情況下，對于任何一個(gè)中心電源系統管理器來(lái)說(shuō)，易于調整電源的方法將會(huì )是非常有用的。事實(shí)上，對這種系統的電壓軌進(jìn)行監控、時(shí)序控制和調節時(shí)，靈活性是非常重要的。
對選定的故障保護機制和時(shí)序控制的魯棒性進(jìn)行評估是一件相當龐大的工作，因此，能夠簡(jiǎn)化這一過(guò)程的器件將加速電路板的評估，并縮短上市時(shí)間。不論是在工作現場(chǎng)，還是從早期PCB開(kāi)發(fā)到原型評估的各個(gè)設計階段，故障記錄以及數字化的電壓和溫度數據都是很有用的特性。
基本監控
下圖所示為利用ADCMP361監控多路電壓軌的簡(jiǎn)單方法，這是一款內置基準電壓的雙極性輸出、±0.275%精度的比較器。由于A(yíng)DCMP361內置400mV高精度基準電壓源，因此可以精確的監控非常低的電壓，例如0.9V 的電壓軌。其中，每路電壓軌都使用獨立的電路。電阻分壓器將電壓軌按比例降低，并為每一路電源設置一個(gè)欠壓跳變點(diǎn)。所有的輸出被連接在一起，產(chǎn)生通用電源良好信號。
基于比較器的欠壓檢測，提供通用電源良好輸出，可用于3路電源系統
由于采用更低電源電壓的新工藝的發(fā)展，加上遺留的I/O電壓要求，近年來(lái)復雜系統中電壓軌的數量大幅增加。當需要監控多路電壓軌時(shí)，可以使用能分別監控兩路或三路電壓軌的多電壓監控器，如ADM13305以及ADM13307。ADM6710與ADM1184還可以監控四路電壓軌。ADM6710可提供預調電壓閾值，ADM1184可提供4個(gè)高精度(±0.8%)的可調輸入信號，能夠利用外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò )設置跳變閾值。
多電壓監控器
表1 多電壓監控器
更小的工藝尺寸正在推動(dòng)內核電壓向更低的方向發(fā)展。通常在大電流情況下，必須有效地提供低電壓，而且必須遵守嚴格的調節和瞬態(tài)指標。低壓時(shí)余量的不足可能會(huì )引起預想不到的器件行為。例如，如果電源電壓下降到電信ASIC的閾值以下，芯片的工作會(huì )出現異常，可能導致正在發(fā)送的信息被破壞或者數據丟失。隨著(zhù)內核電壓的下降，對高精度電壓監控器的要求將更加苛刻，如圖所示。
圖 需要高精度監控器
在這個(gè)例子中，1 V穩壓電源實(shí)際的電壓范圍是0.97 V～1.03 V。微處理器可接受的核心電壓是1 V (±5%)，即0.95 V～1.05 V。因此，欠壓監控范圍為2%。而ADM13305、ADM13307與ADM1184的可調輸入在整個(gè)溫度范圍內的精度高達±0.8%，電阻分壓器的精度為±0.1%，這使得欠壓電平監控精度范圍能保持在2%以?xún)取?/font>
基本時(shí)序控制
圖3所示的是如何利用分立器件實(shí)現基本的時(shí)序控制，此處采用邏輯閾值而不是比較器。12V和5V電源軌是由其它電路產(chǎn)生的。為了確保系統能夠正確工作，必須引入一段時(shí)間延遲。這里是通過(guò)使用RC(電阻電容)電路來(lái)緩慢升高與5V電源串聯(lián)的N溝道FET的柵極電壓而實(shí)現的。所選用的RC值可確保FET在達到閾值電壓并導通之前能獲得足夠的延遲時(shí)間。3.3V和1.8V電源軌是由線(xiàn)性穩壓器ADP120和ADP130產(chǎn)生的。這些電壓的上電時(shí)間也是利用RC來(lái)進(jìn)行時(shí)序控制的。由于RC能驅動(dòng)每個(gè)LDO的EN(使能)引腳，因此無(wú)需串聯(lián)FET。選定的RC值要確保在EN引腳上的電壓爬升到其閾值之前有足夠的延遲時(shí)間(t2,t3)。
這種簡(jiǎn)單、低成本的電源時(shí)序控制方法只占用很少的電路板面積，因此可用于多種應用。這種方法適合于成本是主要考慮因素、時(shí)序要求很簡(jiǎn)單，且時(shí)序控制電路的精確性不是十分重要的系統。
但許多情況需要比RC延遲電路更高的精確性。此外，這種簡(jiǎn)單的解決方案也不允許以結構化的方法處理故障(例如，一個(gè)5V電源失效最終將影響到其它電源軌)。
圖3 四路電源系統的基本分立式時(shí)序控制
利用IC進(jìn)行時(shí)序控制
市場(chǎng)上有各種各樣的電源時(shí)序控制器。有些器件能夠直接實(shí)現電源模塊的輸出，并提供多種輸出配置。有些器件內置電荷泵電壓發(fā)生器，對于需要對更高電壓軌進(jìn)行時(shí)序控制、卻又缺少高壓源(如12V電源軌)的低壓系統來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)特別有用，能夠驅動(dòng)N溝道FET的柵極。許多這類(lèi)器件具有使能引腳，可以接受來(lái)自于按鈕開(kāi)關(guān)或控制器的外部信號，以便在需要時(shí)重新啟動(dòng)時(shí)序控制或關(guān)斷所控制的電壓軌。
圖4所示的是如何使用電源時(shí)序控制器 ADM6820和ADM1086精確且可靠地對系統中的電源軌進(jìn)行時(shí)序控制。內部比較器檢測電壓軌何時(shí)會(huì )超過(guò)精密的設定電平，經(jīng)過(guò)可編程的上電延遲之后，產(chǎn)生輸出，使線(xiàn)性穩壓器ADP120和ADP130能按照期望的時(shí)序工作。閾值通過(guò)電阻比值來(lái)設定，延遲通過(guò)電容來(lái)設定。
圖4 使用監控IC對四路電源系統進(jìn)行時(shí)序控制
集成的電源系統管理
當今的復雜系統往往需要多達四路電壓，并需要對低壓內核電壓進(jìn)行更精確的監控，還需要對電壓軌的上電與斷電時(shí)序進(jìn)行監控。這些低壓需要被精確監控，然后以正確的時(shí)序上電和斷電，同時(shí)確保每個(gè)電壓軌之間正確的延時(shí)。例如，如果電源電壓下降到閾值以下或者打印機ASIC中的電源沒(méi)有正確的上電或斷電，那么器件的工作將會(huì )出現異常，可能導致數據丟失。
圖5 打印機應用中的上電與斷電時(shí)序
ADM1186系列產(chǎn)品在整個(gè)溫度范圍內提供±0.8%的電壓閾值監控精度，這對低電壓軌的監控至關(guān)重要。本文將在打印機應用的實(shí)例中說(shuō)明這種監控，如圖5所示。ADM1186還利用數字內核實(shí)現了上電和斷電(順序相反)的時(shí)序控制，無(wú)需軟件支持。對于A(yíng)DM1186-1來(lái)說(shuō)，多個(gè)器件可通過(guò)級聯(lián)來(lái)對8、12、16路乃至更多的電源進(jìn)行上電和斷電時(shí)序控制。通過(guò)專(zhuān)用的電容可編程時(shí)序引腳設置，能夠更容易且更精確的控制電源之間的延時(shí)，無(wú)需在電源軌監控引腳增加電容。利用這一靈活性，就可以獨立而精確的控制時(shí)序延時(shí)以及器件的故障響應時(shí)間。除了時(shí)序延時(shí)，ADM1186還提供可編程消隱延時(shí)，使設計人員可為電源設置最大時(shí)限，在啟動(dòng)后將電源電壓提升到欠壓閾值之上。
四通道電壓監控器與電源時(shí)序控制器
表2 四通道電壓監控器與電源時(shí)序控制器
有些系統具有許多電源軌，采用這種使用大量IC，并利用電阻和電容來(lái)設置時(shí)序和閾值電平的分立解決方案會(huì )變得過(guò)于復雜、成本過(guò)高，且不能提供適當的性能。
具有八路電壓軌的系統會(huì )需要復雜的上電時(shí)序控制。每路電壓軌都要監控，以免出現欠壓或過(guò)壓故障。發(fā)生故障時(shí)，根據故障機制，需要關(guān)斷所有電源電壓，或初始化電源關(guān)斷時(shí)序。此外，必須根據控制信號的狀態(tài)采取相應措施，并根據電源的狀態(tài)產(chǎn)生標志位。如果使用分立器件和簡(jiǎn)單的IC來(lái)實(shí)現如此復雜的電路，可能需要數以百計的器件，這將會(huì )占用很大的電路板空間，并耗費大量成本。
在具有四路或更多電源的系統中，使用集中式器件來(lái)管理電源比較可取。圖6所示的是采用這種方法的一個(gè)例子。
圖6 用于八路電源系統的集中式時(shí)序控制與監控解決方案
集中式監測和時(shí)序控制
ADM106x Super SequencerTM11系列產(chǎn)品使用比較器，但是有一些不同之處。每個(gè)輸入端都有兩個(gè)專(zhuān)用比較器，以實(shí)現欠壓和過(guò)壓檢測，這樣便可對DC/DC轉換器ADP1821和ADP2105以及LDO ADP1715所產(chǎn)生的電壓軌提供窗口監控。在電源上電之前，欠壓故障是正常的狀態(tài)，因此這個(gè)指示可用于時(shí)序控制。過(guò)壓狀態(tài)通常表示一種嚴重故障，如FET或電感器短路，必須立即采取行動(dòng)。
通常，系統中包含的電源數量越多，系統就越復雜，因此精度限制也越嚴格。另外，在低壓狀態(tài)下，例如1.0V和0.9V，利用電阻來(lái)設定精確的閾值也變得很有挑戰性。雖然對于5V電源軌來(lái)說(shuō)，可接受10%的容差，但對1V電源軌來(lái)說(shuō)，這個(gè)容差是不能接受的。ADM1066在最壞情況下允許輸入檢測器比較器的閾值被設定在1%范圍內，而與電壓(低至0.6V)無(wú)關(guān)，并可工作在該器件允許的整個(gè)溫度范圍內。這可以增加每個(gè)比較器的內部毛刺濾波和遲滯。其邏輯輸入可用于啟動(dòng)上電時(shí)序控制、關(guān)閉所有電源軌，或執行其它功能。
比較器的信息被送入功能強大和靈活的狀態(tài)機內核，這些信息具有以下幾種用途。
時(shí)序控制：當最近的使能電源的輸出電壓進(jìn)入到窗口中時(shí)，時(shí)間延遲被觸發(fā)，以按照上電時(shí)序接通下一個(gè)電源軌�？赡苄枰哂卸嘀厣想娕c斷電時(shí)序，或具有差別較大的上電與斷電時(shí)序的復雜時(shí)序控制。
超時(shí)：如果已經(jīng)使能的電源軌沒(méi)有按照預期上電，可以執行一套適當的應對措施(例如產(chǎn)生一個(gè)中斷信號或關(guān)閉系統)。相比之下，純模擬的解決方案只會(huì )令系統簡(jiǎn)單地掛在時(shí)序中的那一點(diǎn)上。
監控：如果任一電源軌上的電壓超出了預設的窗口，可以根據發(fā)生故障的電源軌、故障類(lèi)型和當前的工作模式，采取適當的應對措施。含有五路以上電源的系統通常都相當昂貴，因此全面的故障保護是極為重要的。
即使系統中的最高電壓只有3V，仍然可以通過(guò)內置電荷泵產(chǎn)生大約12V的柵極驅動(dòng)電壓，從而允許輸出能夠直接驅動(dòng)串聯(lián)的N溝道FET。其它額外的輸出能夠使能或關(guān)斷DC/DC轉換器或穩壓器，使輸出內部上拉至其中一個(gè)輸入電壓或內置的穩壓電壓。輸出也可以被指定為開(kāi)漏輸出。輸出可以用作狀態(tài)信號，如電源良好或上電復位。如果需要的話(huà)，狀態(tài)LED可以直接由輸出來(lái)驅動(dòng)。
電源調整
除了能夠監控多路電壓軌并提供復雜的時(shí)序控制解決方案之外，ADM1066等集成電源管理器件還可以用于暫時(shí)或永久調整某些電壓軌電壓。通過(guò)調節器件上調整節點(diǎn)或反饋節點(diǎn)上的電壓，可以改變DC/DC轉換器或穩壓器的電壓輸出。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)介于輸出與地之間的電阻分壓器，來(lái)調整/反饋引腳上設置的標稱(chēng)電壓，從而設置標稱(chēng)輸出電壓。通過(guò)切換反饋回路中的額外電阻或控制可變電阻的簡(jiǎn)單方案，可以改變調整/反饋電壓，進(jìn)而調節輸出電壓。
ADM1066具有DAC(數模轉換器)，可以直接控制調整/反饋節點(diǎn)。為了實(shí)現最大的效率，這些DAC不會(huì )在地與最大電壓間工作，而是會(huì )以標稱(chēng)的調整/反饋電平為中心點(diǎn)，在一個(gè)相當窄的窗口中工作。衰減電阻器的阻值可決定電源模塊輸出的遞增變化和DAC的每個(gè)LSB變化。這種開(kāi)環(huán)調節方式提供了提升容限或降低容限的標準，相當于那些利用參考電路中的數字電阻切換所獲得的結果，而且可以將輸出調節到類(lèi)似的精度。
ADM1066還包含一個(gè)用來(lái)測量電源電壓的12bit ADC(模數轉換器)，以實(shí)現閉環(huán)電源電壓調節方案。通過(guò)給定的DAC輸出設置，電源模塊的電壓輸出可由ADC采集轉換，并利用軟件與所設定的目標電壓進(jìn)行比較。這樣，便可調整DAC來(lái)校準電壓輸出，使其盡可能接近目標電壓。這個(gè)閉環(huán)方案提供了一個(gè)非常精確的電源調節方法。使用閉環(huán)方法時(shí)，與外部電阻的精度無(wú)關(guān)。在圖6中，DC/DC4的輸出電壓便是利用其中一個(gè)內置DAC來(lái)進(jìn)行調整的。
這種電源調節方案有兩個(gè)主要應用。首先是電源容限的概念，也就是說(shuō)，當電源處于規定的設備電源電壓范圍邊界時(shí)，測試系統對電源做出的反應。數據通信、電信、蜂窩電話(huà)基礎設施、服務(wù)器和存儲區域網(wǎng)絡(luò )設備等制造商在將其系統交付給終端客戶(hù)之前，必須進(jìn)行嚴格的測試。系統中的所有電源電壓都應該在一定的容差范圍內工作(例如±5%、±10%)。通過(guò)確保正確運行所進(jìn)行的測試，電源容限允許所有的內置電源被調節到容差范圍的上限和下限。具有電源調節能力的集中式電源管理器件，可用于進(jìn)行這種容限測試，同時(shí)使得只需完成一次測試所需的額外器件最少、PCB面積最小——在制造商的測試地點(diǎn)進(jìn)行容限測試期間。
通常需要進(jìn)行全范圍測試，也就是，在設備的整個(gè)工作電壓范圍和整個(gè)溫度范圍內進(jìn)行測試， ADM1062不僅集成了閉環(huán)電源容限電路，還集成了溫度檢測和回讀功能。
電源調節方案的第二個(gè)應用是補償工作現場(chǎng)的系統電源波動(dòng)。造成電源波動(dòng)的原因有許多種，就短期而言，當溫度改變時(shí)，電壓的輕微變化是十分常見(jiàn)的;就長(cháng)期來(lái)說(shuō)，某些器件參數可能會(huì )隨產(chǎn)品的長(cháng)期使用而產(chǎn)生輕微的漂移，這也可能導致電壓的漂移。ADC及DAC環(huán)路可被周期性地激活(例如每10 s、30 s或60 s)，再加上軟件校準環(huán)路，就可以使電壓保持在其應有的范圍內。
靈活性
ADM1066具有內置非易失性存儲器，在系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中，當時(shí)序控制與監控需求不斷發(fā)展時(shí)，可以根據需要進(jìn)行多次重新編程，這意味著(zhù)硬件設計可以在產(chǎn)品原型設計的初期完成，而監控和時(shí)序控制的優(yōu)化可以隨著(zhù)項目的進(jìn)展來(lái)進(jìn)行。
數字溫度和電壓測量等功能可以簡(jiǎn)化并加速評估過(guò)程;容限工具則允許在開(kāi)發(fā)過(guò)程中對電源電壓進(jìn)行調節。因此，當關(guān)鍵的ASIC、FPGA或處理器也正處在開(kāi)發(fā)階段，且由于推出新版本的芯片，引起電源電壓電平或時(shí)序需求不斷變化，可以通過(guò)軟件14 GUI(圖形用戶(hù)界面)來(lái)完成簡(jiǎn)單的調節。在幾分鐘內對電源管理器件進(jìn)行重新編程，將變化因素考慮進(jìn)去，而無(wú)需對電路板上的器件進(jìn)行物理級改變，也不會(huì )發(fā)生需要重新設計硬件等更糟的狀況。
Super Sequencer器件
表3 Super Sequencer器件
結論
電源軌數量的不斷增加和電源時(shí)序控制技術(shù)的興起以及更低電壓軌的發(fā)展趨勢，增加了許多類(lèi)型的設備和系統，從筆記本電腦、個(gè)人計算機、機頂盒、汽車(chē)系統到服務(wù)器與存儲設備、蜂窩電話(huà)基站以及因特網(wǎng)路由器與交換機系統，對電源設計工程師的要求也隨之增加。隨著(zhù)內核電壓的不斷下降，為了確保魯棒性與高可靠的運行，對這些電壓進(jìn)行高精度監控的需求變得更加關(guān)鍵。更嚴格的測試程序、信息更新以及快速且簡(jiǎn)單的編程能力也都受到關(guān)注，特別是中高擋系統。為了提升系統的魯棒性和可靠性，并加入這些至關(guān)重要的新特性，市面上已推出許多新的電源管理器，幫助用戶(hù)安全、有效地解決這些問(wèn)題，同時(shí)減小電路板面積，并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
