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作者：Bill Schweber 貿澤電子 高性能IC器件如FPGA一般都要求多條獨立的直流電源軌來(lái)給器件內核、RAM、內部緩存、外部擴展I/O如I2C、SPI、LVDS以及其它端口提供電源。這些電源軌可能是不同規格的，但是差距也一般很小如1.2V、1.5V和1.7V，有時(shí)這些電源軌也具有同樣的電壓值，但是耐壓能力或者物理布局位置可能不一樣。例如WiFi網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)采用的高集成度的專(zhuān)業(yè)應用IC就可能集成了多條電源軌，支持不同的網(wǎng)路功能以及不同行業(yè)標準所要求的接口電壓。在天線(xiàn)驅動(dòng)器和功率放大器應用場(chǎng)景也具備雙向供電特性。 電源軌的數量不僅僅面向單一的IC器件，它面向的是整個(gè)完整的系統，電源軌的數量也在不斷的增加，比如增加電動(dòng)機驅動(dòng)、驅動(dòng)MOSFET/IGBT、其他一些專(zhuān)用通信接口如以太網(wǎng)、RS-232/422接口。因此無(wú)論板卡尺寸大小，一個(gè)完整的系統可能需要更多的電源軌，完全可以采用一個(gè)獨立的DC電源調節器來(lái)驅動(dòng)（也可以成為電源轉換器）。 設計者的問(wèn)題 設計者的問(wèn)題是當我們采用主電源的時(shí)候——無(wú)論是具體的實(shí)際開(kāi)關(guān)還是軟件控制的開(kāi)關(guān)——這些電源軌必須按照之前精心設計的次序上電并達到最終穩定值（當關(guān)閉電源操作時(shí)也要按照制定的斷電次序）；如圖1所示，如果次序和相對時(shí)序不正確或者電壓上升和下架的波動(dòng)頻率明顯會(huì )隊電路造成不可挽回的損壞。 
圖1：多電源軌系統的上電次序一般是某些電源軌必須在其他電源軌上電后或者達到穩定值后才能上電，關(guān)閉的次序也大致如此，如上圖是Altera Enpirion ES1021QI的電源軌上電次序（來(lái)源：Altera公司） 盡管有時(shí)候不會(huì )造成不可挽回的破壞，但是錯誤的上電次序可能會(huì )導致操作異常也會(huì )造成一些我們不能夠接受的結果:比如我們給驅動(dòng)電動(dòng)機的MOSFET上電了，但是電動(dòng)機控制軟件還沒(méi)有初始化完成，控制MOSFET的操作還沒(méi)有就緒會(huì )產(chǎn)生哪些影響。當然這些問(wèn)題也不一定與正常的上電順序有關(guān)系，也可能是與系統電路板卡的熱插拔設計有關(guān)。 為了解決這些問(wèn)題我們需要采用專(zhuān)業(yè)的電源管理IC（PMIC）來(lái)實(shí)現電源的上電次序和時(shí)序。功能全滿(mǎn)的PMIC能夠幫助工程師完成以下工作： • 建立多電源軌之間有序的上電/關(guān)閉次序，互不影響 • 如果需要的話(huà)能夠控制電壓波動(dòng)（上升/下降）的頻率 • 任何一個(gè)電源軌出現問(wèn)題不影響對其他電源軌的管理 實(shí)際上不同電源軌之間的時(shí)序是與電源軌的電壓相關(guān)的而不是絕對的延遲時(shí)間，不同電源軌連續上電的時(shí)間間隔是以毫秒為單位的。上電規則有時(shí)很簡(jiǎn)單，比如“電源軌A上電完成再給電源軌B上電”，當然有時(shí)也很復雜，比如“只有當電源軌A和B的電壓都達到穩定值才給電源軌C上電”。（注意：“上電”的定義是根據不同應用要求來(lái)設置的，大部分是最終穩定電壓的90%，但是某些嚴格的應用場(chǎng)景要求達到最終電壓1%以?xún)龋?br /> 盡管在大部分應用中對于電壓是嚴格的，而不是時(shí)間間隔，但是一些應用將設計的替換時(shí)間作為標準。這種情況是可能的，如果工程師知道某個(gè)具體的電源軌能夠在合理的時(shí)間內達到期望的電壓值，那么相比電壓值，時(shí)序也更加容易精確的測量。在這些具體的場(chǎng)景中，比如“電源軌B上電完成后立刻給電源軌A上電”就可以具體規定為“電源軌A上電50毫秒后給電源軌B上電”。然而這種方法在實(shí)際應用是必須非常小心，因為我們不能驗證電源軌A是否達到了期望的電壓值，而不是說(shuō)“在這段時(shí)間它應該上電完成了”。 基于正極狀態(tài)/反饋來(lái)確定電源軌的次序 有趣的是在一些應用中時(shí)間周期比較長(cháng)，不能用毫秒來(lái)表示。在這些應用情形中，讓另一個(gè)電源軌上電之前可能已經(jīng)過(guò)去幾秒鐘或者更長(cháng)的時(shí)間。舉個(gè)例子，比如加熱器首先必須達到要求溫度才能進(jìn)行其他操作，還比如系統處理器必須進(jìn)行校正操作才能向高壓或者高功率子系統供電，但是如果我們還沒(méi)有對某個(gè)關(guān)鍵的傳感器參數進(jìn)行驗證就輸出高電壓，可能會(huì )造成電子系統的損壞。 一些電源管理IC集成了DC/DC轉換器（LDO和切換開(kāi)關(guān)），提供必要的上電時(shí)序，并且對某些目標應用場(chǎng)景如筆記本電腦（涉及CPU、內存、顯示器、I/O和其它標準功能）進(jìn)行了優(yōu)化。盡管這些優(yōu)化很適合目標應用場(chǎng)景，并且應該進(jìn)行這樣的設置，但是從本質(zhì)上來(lái)看這會(huì )限制工程師對電源軌電壓和其它應用類(lèi)型選擇的靈活性。 按一定次序給系統上電不是新出現的要求，例如真空管已經(jīng)快被IC所淘汰了，除非一些特性的應用比如X射線(xiàn)發(fā)生器或者無(wú)線(xiàn)電/電視廣播發(fā)射器——這是普遍存在的要求：燈絲必須通電并且達到最終的操作溫度，金屬板才會(huì )別“B+”電壓所激發(fā)釋放電子。對于五管AM收音機來(lái)講這個(gè)延遲時(shí)間可能是零，對于千瓦級別的廣播發(fā)射器而言可能要持續很多分鐘。這個(gè)任務(wù)有時(shí)是系統操作員通過(guò)打開(kāi)/關(guān)閉開(kāi)關(guān)手動(dòng)完成的，在其它一些場(chǎng)景，我們可以采用專(zhuān)用的電磁機械繼電器，它內部集成了定時(shí)器。當然不管是手動(dòng)操作還是基于繼電器的解決方案對于采用FPGA的產(chǎn)品來(lái)講都是可行的，這樣的收音設備可以放在口袋或者公文包里面。 從底層設計開(kāi)始 在供電次序的討論中，很容易就會(huì )涉及到不同電源軌的管理策略上，電源軌的控制是底層最基本的問(wèn)題，我們要注意到有兩個(gè)問(wèn)題需要解決：定序器輸出的控制信號以及每個(gè)DC調壓器輸入的響應控制信號。 首先對于第一個(gè)因素，定序器的選擇必須有完善的控制信號輸出，當然如果需要還需要提供一定數量的擴展信號。這段輸出端口都很簡(jiǎn)單，一般采用單個(gè)GPIO（通用I/O端口）。 對于第二個(gè)因素，DC調壓器必須有一個(gè)使能輸入管腳，或者在調壓器輸入和電源軌之間增加電子開(kāi)關(guān)（通常采用MOSFET），用于控制這個(gè)開(kāi)關(guān)。如圖2所示，大多數情況下都會(huì )選擇采用DC調壓器，這種方案的邏輯使能控制非常簡(jiǎn)單，如果可能的話(huà)電源管理IC可以直接使用合適的電流/電壓來(lái)驅動(dòng)電源軌的MOSFET，而不用采用另外的MOSFET驅動(dòng)器。 不同的解決方案，更廣泛的靈活性 定序一般被認為是電源管理IC的功能，但是這是存在歧義的。一些電源管理IC有定序功能而其他一些電源管理IC則增加了其他功能特性，例如過(guò)電流或者過(guò)電壓保護。盡管這些提升看似很值得，但是這些功能有些重疊，甚至直接與電源調壓器的功能產(chǎn)生了沖突。其他電源管理IC沒(méi)有定序功能，但是集成了監測和報告電源軌狀態(tài)功能。因此確定正確的定序解決方案不僅要參考電源管理IC解決方案也要參考非電源管理IC解決方案。
圖2：電源管理IC輸出直接控制Vreg，或者驅動(dòng)外部MOSFET，在VREG和電源軌之間充當切換開(kāi)關(guān)，上圖中在電源Vx和電源軌VxOUT之間設置了四個(gè)MOSFET，分別是1，2，3，4（來(lái)源：Altera數據手冊） 最簡(jiǎn)單的情形就是順序上電，也就是說(shuō)每個(gè)電源軌在前一個(gè)電源軌上電完成后開(kāi)始打開(kāi)電源上電，這種方案是最簡(jiǎn)單不過(guò)的了。如果每個(gè)電源軌調壓器都有“power good”（PG）信號輸出，下一個(gè)調壓器設置“enable”（EN）使能控制輸入，PG管腳連接到EN使能輸入管腳，當第一個(gè)調壓器輸出PG信號就會(huì )自動(dòng)讓下一個(gè)調壓器打開(kāi)上電，如圖3所示電路連接。
圖3：在某些應用場(chǎng)景非常簡(jiǎn)單但是高效的上電方案就是順序上電，將前一個(gè)調壓器的PG輸出管腳與下一個(gè)調壓器的EN使能輸入連接，上圖是2個(gè)TI TPS62085逐步降低調壓器提供DC電源Vout1和Vout2（來(lái)源：TI數據手冊） 這種方法是個(gè)任意多個(gè)DC調壓器的順序連接，但是這種方案的效果也是有限的。盡管采用的是順序模式（PG管腳可以連接到不止一個(gè)EN管腳），但是靈活性很差。而且這種方法也不能控制時(shí)序，比如某個(gè)電源需要等待一定的間隔時(shí)間才能夠上電，也不能夠解決關(guān)閉次序，況且這與上電次序同等重要。 為了克服這些問(wèn)題，帶有定時(shí)器控制的復位IC可以用于上電次序，功能強大且靈活的555定時(shí)器IC（或者改進(jìn)版）可以用于控制次序，可以在第一個(gè)電源軌達到穩定電壓或者關(guān)閉后引入一定的時(shí)間間隔。這個(gè)時(shí)間間隔可以通過(guò)調整555定時(shí)器的某個(gè)硬件電阻來(lái)實(shí)現，因此這些問(wèn)題可以通過(guò)設計和BOM來(lái)就解決，而不是固件。如圖4所示，盡管這看似不是一個(gè)很好的解決方法，但是確實(shí)非常高效的一種，尤其是當定序問(wèn)題是可見(jiàn)的就非常有用了，我們需要條件硬件原型板卡就可以了。
圖4：在一些設計中使用的另一種解決方案是采用555型定時(shí)器IC，通過(guò)調節電阻值來(lái)設置不同的延遲時(shí)間 對于電源軌較多的系統則需要更大的靈活性，美信（Maxim）公司設計的MAX16029電源管理IC可用于四通道電源軌，延遲時(shí)間支持用戶(hù)自定義，主要是通過(guò)外置電容實(shí)現的，這樣可以避免掉電易失和啟動(dòng)的問(wèn)題，如圖5所示。四個(gè)電源軌通道是互相獨立的，每個(gè)通道的輸出可以用于漏極開(kāi)路配置，支持輸出的電源軌電壓最高可達28V，適合更高電壓要求的DC調壓器。其他電源管理IC還具有時(shí)序設置功能，是通過(guò)PMBus總線(xiàn)接口而不是調節外部電容值或者電阻值，因此能夠同時(shí)控制四個(gè)以上的電源軌輸出。
圖5：美信（Maxim）公司推出的MAX16029電源管理IC使用外置電容來(lái)調節四個(gè)獨立的電源軌通路的延遲時(shí)間，支持最高DC輸出電壓28V。（來(lái)源：美信公司數據手冊） 固件、軟件提供更高級的解決方案 對于有很多電源軌的應用，定序要求也就更復雜，需要全面的管理打開(kāi)/關(guān)閉操作。之前采用的方案一般不夠高效而且需要很多額外的電路�，F在有兩種方案來(lái)解決這些挑戰，兩者都能提供所需的功能，一種是采用用戶(hù)可編程的微控制器，一種是采用全可編程的IC器件，專(zhuān)門(mén)應用這種定序器的設計。 舉個(gè)例子，Microchip公司推出的PIC16F1XXX系列的電源管理IC能夠處理四個(gè)、八個(gè)或者更多數量的電源軌；如圖6所示。嵌入式固件是用戶(hù)可編程的，可以按要求設置定序器屬性，支持 PG信號、上升/下降時(shí)間，同時(shí)如果電壓超出范圍或者上電失敗還提供了各種預警模式。PIC系列器件集成了10位ADC轉換器，進(jìn)行數字化處理取平均值，相當于4位轉換。PIC16F1XXX系列的選擇集成的GPIO的數量包括數十個(gè)，不僅能夠用于使能電壓調節器也可以用于驅動(dòng)電源軌的MOSFET，幾乎能適用于各種應用場(chǎng)景。
圖6：基于Microchip PIC16F1XXX系列的電源定序器具有更大的靈活性，不同電源軌之間的上電次序和時(shí)間間隔設備都很方便，內部集成的ADC轉換器則提供詳細的性能指標（來(lái)源：Microchip數據手冊） TI公司推出的一款定序專(zhuān)用的器件UCD90120A集成了另一項全可編程特性；如圖7所示。12個(gè)電源軌的上電次序和監測是通過(guò)PMBus總線(xiàn)/I2C接口，同時(shí)也包括26個(gè)可用的GPIO管腳用于其他電源相關(guān)功能，例如電源使能控制、復位和系統處理器的終端預警。結合用戶(hù)可視化界面（GUI）工程師可以建立復雜的電源軌上電/關(guān)閉安排和時(shí)序規則，如果發(fā)生任何故障還能提供詳細的系統故障分析報告；如圖8所示。
圖7：TI公司推出的UCD90120A器件專(zhuān)門(mén)用于電源軌的次序和監測，最多支持12個(gè)電源軌，采用PMBus/I2C總線(xiàn)接口支持用戶(hù)自定義設置；其他的GPIO管腳可用于其他電源相關(guān)功能
圖8：電源管理IC器件如UCD90120A結合GUI提供了強大的功能，可以建立復雜的多條電源軌的次序設置規則，同時(shí)可以通過(guò)界面觀(guān)察每個(gè)電源軌的狀態(tài)以及它們之間的時(shí)序順序（來(lái)源：TI應用筆記） 總結 電源和電源軌可能并沒(méi)有受到處理器一樣的重視，但是它們對于一個(gè)成功可靠的設計來(lái)講，它們的重要性在不斷上升，保證更高的性能和更豐富的功能，用于廣泛的應用場(chǎng)景如手持智能手機、各種大型儀器如農場(chǎng)服務(wù)器和數據中心等。管理這么多的電源軌不是件容易的事情，但是我們有很多電源和電源管理IC可用的選擇，滿(mǎn)足不同項目應用的功能要求。這些解決方案包括簡(jiǎn)單的級聯(lián)順序使能上電、復雜的全可編程IC控制，提供建立和修改很多關(guān)鍵參數的能力。 |
