混合信号IC──复杂电源管理组件的设计挑战及解决方案

        随着系统内电源数量的增多，为了确保其安全、经济、持续和正常的工作，对电源轨进行监测和控制变得非常重要，特别是在使用微处理器时。确定电压轨是否处于工作范围内，以及该电压相对于其它电压轨是否按照正确的时序上电或断电，这些对于系统执行的可靠性和安全性来说都是至关重要的。例如FPGA，在向组件提供5V I/O(输入/输出)电压之前，必须先施加3.3V的核心电压，并持续至少20ms，以避免组件上电时受到损坏。对于系统的可靠性来说，满足这样的时序要求就像要保证组件在规定的电源电压和温度范围内工作一样至关重要。

        同时，电源轨数量也在显著增加。一些复杂的系统，如LAN(局域网络)交换机和移动电话基站，线路卡通常会包含10路或更多电压轨；即使是对成本敏感的消费性系统，如等离子电视，也可能具有多达15路的独立电压轨，其中许多电压轨都需要进行监控和时序控制。在高阶系统中，每个DSP组件会需要多达四个独立的电源。而在更多情况下，单一系统中可能存在着大量的多电源组件，包括FPGA、ASIC、DSP、微处理器和微控制器(以及模拟组件)。

        电压监控和时序控制有时会变得极为复杂，特别是当一个系统必须设计为能够支持上电时序控制和断电时序控制，并能够在工作期间的不同时间点上对不同电源轨上的所有可能故障状况均产生多种响应时。中心电源管理控制器是解决这个难题的最佳方案。

        设计风险与电源数量、组件数量和系统复杂程度成正比，外部因素也会增加风险。例如，如果在初始设计阶段没有完整地定义出主ASIC的特性，那么电源设计工程师必须用硬联机实现电压监控阈值和时序控制，但这些都可能会随着ASIC技术指标的改变而产生变化。故对于任何一个中心电源系统管理器来说，易于调整电源的方法将会是非常有用的。

基本监控

图1：基于比较器的欠压检测，提供通用电源良好输出，适用于3路电源系统。

        图1所示的是监控多任务电压轨的简单方法。其中，每路电压轨都使用独立的电路。电阻分压器将电压轨按比例降低，并为每一路电源设置一个欠压跳变点。所有的输出被连接在一起，产生通用电源良好讯号。更小的制程尺寸正推动核心电压向更低的方向发展。低压时余量的不足可能会引起预想不到的组件行为。随着核心电压的下降，对高精密度电压监控器的要求将更加苛刻，如图2所示。

图2：现代电子系统中需要高精密度监控器。

基本时序控制

         图3所示的是如何利用分离组件实现基本的时序控制，此处采用逻辑阈值而不是比较器。12V和5V电源轨是由其它电路产生的。为了确保系统能够正确工作，必须导入一段时间延迟。这里是透过使用RC电路来缓慢升高与5V电源串联的N信道FET的闸极电压而实现的。所选用的RC值可确保FET在达到阈值电压并导通之前能获得足够的延迟时间。这些电压的上电时间也是利用RC来进行时序控制的。由于RC能驱动每个LDO的EN(使能)接脚，因此无需串联FET。选定的RC值要确保在EN接脚上的电压爬升到其阈值之前有足够的延迟时间(t2,t3)。

图3：四路电源系统的基本分离式时序控制。

       这种简单、低成本的电源时序控制方法只占用很少的电路板面积，因此适用于多种应用。这种方法适合于成本是主要考虑因素、时序要求很简单，且时序控制电路的精确性不是十分重要的系统。

       但许多情况下需要比RC延迟电路更高的精确性。此外，这种简单的解决方案也不允许以结构化的方法处理故障(例如，一个5V电源失效最终将影响到其它电源轨)。

 

利用IC进行时序控制

        市场上有各种各样的电源时序控制器。有些组件能够直接实现电源模块的输出，并提供多种输出配置。有些组件内建电荷泵电压产生器，对于需要对更高电压轨进行时序控制、却又缺少高压源(如12V电源轨)的低压系统来说，这一点特别有用，能够驱动N信道FET的闸极。许多这类组件具有使能接脚，可以接受来自于按钮开关或控制器的外部讯号，以便在需要时重新启动时序控制或切断所控制的电压轨。

       图4所示的是如何使用电源时序控制器ADM6820和ADM1086精确且可靠地对系统中的电源轨进行时序控制。内部比较器检测电压轨何时会超过精密的设定电平，经过可程序的上电延迟之后，按正确时序产生输出。阈值透过电阻比值来设定，延迟透过电容来设定。

图4：使用监控IC对四路电源系统进行时序控制。

整合的电源系统管理

         有些系统具有许多电源轨，采用这种使用大量IC，并利用电阻和电容来设置时序和阈值电平的分离解决方案会变得过于复杂、成本过高，且不能提供适当的性能。

        具有八路电压轨的系统会需要复杂的上电时序控制。每路电压轨都要监控，以免出现欠压或过压故障。产生故障时，根据故障机制，需要切断所有电源电压，或初始化电源切断时序。此外，必须根据控制讯号的状态采取相应措施，并根据电源的状态产生标志位。在具有四路或更多电源的系统中，使用集中式组件来管理电源比较可取。图5所示的是采用这种方法的一个例子。

图5：打印机应用中的上电与断电时序。

集中式监测和时序控制

        通常，系统中包含的电源数量越多，系统就越复杂，因此精密度限制也越严格。另外，在低压状态下，例如1.0V和0.9V，利用电阻来设定精确的阈值也变得很有挑战性。ADM1066在最坏情况下允许输入检测器比较器的阈值被设定在1%范围内，而与电压(低至0.6V)无关，并可工作在该组件允许的整个温度范围内。这可以增加每个比较器的内部突波滤波和迟滞。其逻辑输入适用于启动上电时序控制、关闭所有电源轨，或执行其它功能。

       比较器的信息被送入功能强大和灵活的状态机核心，这些信息具有以下几种用途。

       时序控制：当最近的使能电源的输出电压进入到窗口中时，时间延迟被触发，以按照上电时序接通下一个电源轨。可能需要具有多重上电与断电时序，或具有差别较大的上电与断电时序的复杂时序控制。

       超时：如果已经使能的电源轨没有按照预期上电，可以执行一套适当的应对措施(例如产生一个中断讯号或关闭系统)。相较之下，纯模拟的解决方案只会让系统简单地挂在时序中的那一点上。

       监控：如果任一电源轨上的电压超出了预设的窗口，可以根据产生故障的电源轨、故障类型和目前的工作模式，采取适当的应对措施。含有五路以上电源的系统通常都相当昂贵，因此全面的故障保护是极为重要的。

       即使系统中的最高电压只有3V，仍然可以透过内建电荷泵产生大约12V的闸极驱动电压，允许输出能够直接驱动串联的N信道FET。其它额外的输出能够使能或切断DC/DC转换器或稳压器，使输出内部上拉至其中一个输入电压或内建的稳压电压。输出也可以被指定为开漏输出。输出可以作为状态讯号，如电源良好或上电重置。如果需要的话，状态LED可以直接由输出来驱动。

 

电源调整

       除了能够监控多任务电压轨并提供复杂的时序控制解决方案之外，整合电源管理组件还可以用于暂时或永久调整某些电压轨电压。透过调节组件上调整节点或反馈节点上的电压，可以改变DC/DC转换器或稳压器的电压输出。组件中的DAC，可以直接控制调整/反馈节点。为了实现最大的效率，这些DAC不会在地与最大电压间工作，而是会以标称的调整/反馈电平为中心点，在一个相当窄的窗口中工作。如ADI的ADM1066包含一个用来测量电源电压的12位ADC，以实现死循环电源电压调节方案。它可以调整DAC来校准电压输出，使其尽可能接近目标电压。这个死循环方案提供了一个非常精确的电源调节方法，如图6所示。 
 

图6：ADI公司用于八路电源系统的集中式时序控制与监控解决方案。

       这种电源调节方案有两个主要应用。首先是电源容限的概念，也就是说，当电源处于规定的设备电源电压范围边界时，测试系统对电源做出的反应。数据通讯、电信、移动电话基础设备、服务器和储存局域网络设备等制造商在将其系统提供给终端客户之前，必须进行严格的容限测试。

        电源调节方案的第二个应用是补偿系统电源波动，包括温度改变引起的短期波动以及组件老化引起的长期波动。ADC及DAC回路可被周期性地启动(例如每10s、30s或60s)，再加上软件校准回路，就可以使电压保持在其应有的范围内。