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电源管理技术的飞跃

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作者:Alan Moloney


多年以来,监视各种驱动电压一直都是许多系统的一项主要任务。了解驱动电压是在某阈值之上、还是在某阈值之下或在操作窗之内对操作可靠性和安全性都至关重要。目前已有许多针对该问题的解决方案。简单的电阻分压器加比较器和基准电压源方案可以用于确定驱动电压是否在某电平之上。工业标准复位发生器集成电路(IC)将这些器件与复位延迟电源集成在一起,这种IC通常是保持微处理器、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)IC等上电复位所必需的,并且对于许多这种级别的监视已足够。当需要监视多电源时,需要多个器件(或多通道比较器等)并行工作。但一些最新发展已经显著改变了这种情形。

首先,电源时序控制器的出现发挥了主要作用。FPGA的数据手册上指出器件无论何时上电时,都应该在5 V I/O电压之前20 ms施加3.3 V的内核电压。如果未按该顺序上电,器件可能会损坏。满足时序控制要求对于可靠性的重要程度如同保证器件电源电压或温度在规定工作限制内。

其次,许多应用中电源的数量已显著增加。局域网(LAN)开关和蜂窝基站等复杂昂贵的系统通常具有需10个以上电源电压的线路卡,但等离子电视等高度成本敏感的消费类应用拥有多达15个独立的电压这个事实更加令人震惊,其中许多电压需要监视并且时序控制。

目前许多高性能IC需要多个电压驱动。一个典型的例子是当今许多器件具有独立的内核和I/O电压已成为标准。一些高端DSP器件每器件需要多达四个独立的电源。多数情况下,单系统中具有大量多电源器件——例如FPGA、ASIC、DSP芯片、微处理器以及微控制器——许多器件都需要多电压驱动。虽然系统中通常可以在器件之间共享标准电压(例如3.3 V),但许多器件还需要特定的电压。此外,由于多种原因,不得不多次产生标准电压。其中一个例子就是需要隔离模拟电压和数字电压(3.3 VANALOG和3.3 V DIGITAL)这种情况。然而,考虑到效率或为了满足时序控制要求(例如在不同时刻需要独立器件产生3.3 VA和3.3 VB),多次产生相同的电压也比较合适(例如存储器的工作速度是放大器的100倍)。所有这些因素都导致了电压数量的增加。

电压监视变得相当重要并且时序控制也非常复杂,特别是如果系统必需设计为支持上电时序、关断时序以及能够响应工作中不同点不同电源电压所有可能故障情形的多种处理模式。中央电源管理控制器是解决这种问题的一种行之有效的方法。

目前电源供电部分的复杂性意味着出错的可能性更高。这种风险随着电源数量、器件数量以及系统复杂性的增加相应地增加。外部因素也会增加这种风险——例如,如果主要ASIC在初始设计时并不在手边,电源设计工程师必需保证能够改变电压监视的阈值和时序控制器的时序以适应ASIC发展的变化。否则,如果对ASIC的要求发生改变,则必须重新设计印制电路板(PCB),这直接导致时间的浪费同时也意味着成本的增加。这个问题会因某些器件的实际电源电压在发展过程中略有变化这个事实而复杂化。调整电源的方法对于任何中央电源系统管理器都非常有用。灵活性在这些系统的电压监视、时序控制以及调整中也至关重要。

中央电源管理器件的其它有用附加功能包括故障记录和数字化电压或温度数据等。这些功能在设计工程师现场扩展这些器件的监视功能时非常有用,但它们在开发初期对于PCB的总设计也至关重要。由于尽力评估已选故障保护和时序控制器时序的鲁棒性是一项繁重的工作,因此任何有助于完成该任务的器件都有助于最大程度减少PCB评估工作并且缩短产品面向市场的时间。

本文讨论了电源设计工程师如何使用灵活的电源监视、时序控制和调整电路管理他们的系统。

基本监视
下面框图所示是如何使用简单的比较器和基准电压源电路监视多个电源电压。每监视一个电压需要一颗比较器和基准源电路。电阻分压器与每一个电压成比例,其为每个电源设置最低电压点。在这种情况下,所有的输出连接在一起产生一个共同的电源标准信号。这个例子是监视电源的传统方法。

图1:用于三电源系统具有共同电源标准输出基于最低电压检测的比较器
图1:用于三电源系统具有共同电源标准输出基于最低电压检测的比较器

基本时序控制
下面框图所示是如何使用离散元件实现基本时序控制。12 V和5 V电压由外部为该系统产生。本方案必须引入时间延迟以确保系统正确工作。这可以通过使用电阻电容器(RC)组合逐步增加串行n通道FET的门电压实现,但必须选择RC值以确保FET达到电压阈值并且在足够的时间延迟后开启。3.3 V和1.8 V电压由两个稳压器产生。此外,这些电压之间的切换必须通过使用RC进行时序控制。在这种情况下不需要串行FET——RC可以简单地驱动每一个低压差线性稳压器(LDO)的关断(SD\)引脚。选择RC值以确保SD\引脚的电压在足够的时间延迟(t2,t3)后上升到正在增加的电压阈值之上。

图2:用于四电源系统的基本离散时序控制
图2:用于四电源系统的基本离散时序控制

这种电源时序控制方案非常适合于许多应用。其简单、成本低廉并且不需要占用太多的PCB面积,从而适合于关注成本但并不过度看重时序控制电路精度或可靠性的系统。

在某些情况下,当RC方案并不能满足所需的精度时,时序控制电路必须提供更多的功能。此外,这种方案并不能提供任何解决故障(不同于任何内在但并不灵活的故障,例如5 V电压掉电将随后导致其它电压掉电)的实际机制。

使用IC控制时序
下面框图所示是如何使用专用集成电路(IC)控制类似系统中的电源时序。此类器件集成了精确的内部比较器。这些比较器可配置为检测高于某个电平之上的电压并且使用该事件在确保输出之前触发延迟器。延迟器可使用外部电容器设置。某些器件具有能用来直接支持电源模块的输出,并且通常也提供用于该用途的大量输出配置。其它器件集成了内置电荷泵,从而允许这些IC直接驱动n通道FET。这对于需要逆流产生时序控制电压的系统特别有用,并且不需要12 V电压的高电压驱动n通道FET门电路。这些器件中的大部分也拥有允许能来自按钮开关或控制器的外部信号的使能引脚,以重启时序控制器或当需要时关断控制电压。

图3:四电源系统的时序控制
图3:四电源系统的时序控制

高级时序控制
有些系统比上述的例子需要更强大的时序控制。图4所示即说明该例。除了上电次序外,还需要控制电源的关断次序。电源必须以电源上电相同次序或相反次序或完全不同的次序关断。每一个电源的上电或关断斜波的转换率也需要控制。在某些情况下,电源可能需要相互“跟踪”,这意味着它们必须在斜波周期内相互保持在某电平。该方案也可能集成其它功能——例如离散电源故障检测电路可完成类似于图1所示的监视功能。

图4:用于三电源系统的时序控制和跟踪解决方案
图4:用于三电源系统的时序控制和跟踪解决方案

集成电源系统管理
有些系统需要如此多的电源电压以致于RC时序控制和单通道IC时序控制这两种模拟方案都无法解决。在需要四个以上电压驱动的系统中,使用中央器件管理电源电压更加有效。

图5:用于八电源系统的中央时序控制和监视解决方案。图示是用于1.2 V DC-DC转换器的电源调整电路
图5:用于八电源系统的中央时序控制和监视解决方案。图示是用于1.2 V DC-DC转换器的电源调整电路

中央监视和时序控制总结
此类器件中继续采用使用比较器检测电压的方法,但存在一些重要的区别。其每个输入需要两个比较器以实现欠电压和过电压检测。此方案可为每个电压提供更多的窗口外监视,这种检测对于上电之前欠电压故障属于电压正常工作情况、时序控制用途以及过电压故障(例如短路开关FET或感应器)通常属于需要立即处理的主要故障这些情形是必需。尖峰滤波和??可在内部增加到每个比较器上。由于需要大数量电源的系统通常是高级综合系统,因此它们通常对精度具有更严格的要求。此外,1.0 V和0.9 V等更低电源的增加意味着建立精确阈值非常困难——例如5 V电源电压可接受10%的容限但这在1 V电源上并不能满足。诸如最坏情况下独立于电压并且在器件整个温度范围内达到1%精度的输入检测比较器阈值等功能非常重要。输入也可配置为用于启动上电时序控制以及关断所有电源等的逻辑输入。来自比较器结果的信息可反馈到强大灵活的机械内核,在这里这些信息用于各种用途:

  • 时序控制——当最近的供电电源输出电压在窗口内时,其可用于指示在一定的延迟后启动上电序列中的下一个电压。目前可以实现复杂的时序控制,例如多电源上电和断电顺序以及差异较大的上电和断电顺序。
  • 延迟——如果供电电压不能按期上电,则必须采取适当的处理过程(例如产生中断或关断系统)。而模拟解决方案只是简单地停滞于顺序中的该点。
  • 监视——如果任何电源电压处于预设窗口外时,则需要根据处故障电源的故障类型以及当前的操作模式采取适当的措施。具有五个以上电源的系统通常如此昂贵以致于全面故障检测至关重要。
这些器件的输出可能需要直接驱动串行n通道FET,因此即使可用的最高系统电压仅为3 V,也需要内置电荷泵产生12 V的门驱动电压。其它输出可能需要逻辑电路支持或关断DC-DC转换器或稳压器的输入,因此可以选择将输出内部上拉到到某输入或片上稳压电压。输出也可以设置为漏电流式。输出也可用于指示电源良好或上电复位等状态信号。如果需要可直接用输出驱动状态LED。

电源调整
一些集成电源管理器件除了监视多个电压并且为复杂时序控制提供解决方案之外,还可提供临时或永久调整各个电压的工具。DC-DC转换器或稳压器的电压输出可通过调整模块的调节或反馈节点的电压改变。通常,输出与模块地之间的电阻分压器可在调节或反馈引脚上建立微弱电压以产生微小的输出电压。包括切换额外电阻或控制反馈环路中可变电阻的简单方案可以改变调节或反馈电压,从而调整输出电压。

集成数模转换器(DAC)的电源管理器件可以直接控制调节或反馈节点。用于该用途最有效的DAC不提供工作在地与最大电压之间的输出,但是工作在相对狭窄的窗口中的DAC输出集中在微小的调节或反馈电平附近。因此需要使用衰减电阻器并且它的值用来指示不同于每一个离散DAC电平的电源模块输出数量。这种开环调整用于相应上限裕值和下限裕值电平的DAC输出类似于在不同电阻器之间切换并且将输出调整到相同的精度。

如果将DAC与模数转换器(ADC)结合使用可实现闭环电源调整方案。在调整完DAC的输出后,电源模块的电压输出由ADC数字化并且与软件中的目标电压比较。然后再调整DAC的输出以将电压输出校正为尽可能接近目标电压。请注意闭环方法的精度与外部电阻完全不相关。ADC的精度是主要因素。我们推荐闭环调整使用12 bit ADC。

电源调整方案具有两种主要的用途。第一种是“裕留”电源的思想。该方案在给终端用户使用之前需要数据通信、电信、蜂窝基础设施以及服务器和存储区域网络设备等制造商在高电压工作下测试他们的系统。系统中的所有电源规定在某容限(±5%和±10%)下工作。制造商必须将系统内所有电源调整到高端和低端容限范围内并且在这些情形下测试以保证正常工作。在这种情况下,具有电源调整功能的中央电源管理器件可以用于完成裕值测试同时最大程度减小对额外开关、电阻器等以及PCB面积的需要,从而完成在制造商测试地点裕值测试过程中仅某点需要的功能。

请注意电源裕留通常与设备工作温度范围内的测试结合运用,从而产生结合电压和温度的“四角”测试方案。将温度感应和重复读取集成在中央电源调整器件中也非常有用。

电源调整方案的第二种用途可以实现闭环电源失调补偿方案。供电电源的电压输出在现场可能会改变。这个问题有很多原因。从短期来看,电压随温度变化而轻微变化非常常见。从长期来说,一些元件值可能会随着产品寿命发生轻微漂移,从而产生电压漂移。因此可以周期性激活(每10, 30, 60秒)ADC和DAC环路并且与软件校正环路配合工作以保证电压稳定。

灵活性
由中央多电源管理器件可以访问的软件一大优势,这允许在设计早期部署器件。假设系统包括片上非通用存储器,则可以根据开发过程中系统时序控制和监视需要对其多次重新设置。这意味着硬件设计可在原型设计早期完成,从而随着工程的进展可优化监视和时序控制。数字温度和电压测量等功能可以简化并且加速评估过程。裕留工具允许在开发周期中调整电压。因此在主要ASIC、FPGA或处理器也处于开发中以及电源电压电平或时序控制要求可能会随着新的集成电路变化变化的情形中,可以考虑通过软件图形用户界面(GUI)的简单调整在几分钟内重新设置电源管理器件,而无需物理改变片上器件或更糟糕情况是重新设计硬件。

结论
电压数目的增加和电源时序控制的出现已经增加了电源设计工程师对从笔记本个人电脑(PC)、机顶盒和汽车系统到服务器和存储、蜂窝基站和因特网路由以及开关系统等各方面的要求。更严格的测试过程、最新信息收集以及快速简单的可编程性也非常有用,特别是在中端到高端系统中。随着鲁棒性和可靠性的提高以及这些重要新功能的增加,需提供许多电源管理集成电路以帮助安全、高效地解决这些问题,并且最大程度减小PCB面积同时缩短产品面向市场的时间。

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