电源跟踪技术

[b]引言 [/b]---当今的大多数电子产品（从手持式消费电子设备到庞大的电信系统）都需要使用多个电源电压。电源电压数目的增加带来了一项设计难题，即需要对电源的相对上电和断电特性进行控制，以消除数字系统遭受损坏或发生闭锁的可能性。 ---微处理器、FPGA和ASIC在上电和断电期间通常要求内核与I/O电压之间具有某种特定的关系，而这种关系在实际操作中是很难控制的，尤其是当电源的数目较多的时候。当不同类型的电源（模块、开关稳压器和负载点转换器）混合使用时，该问题会进一步复杂化。最简单的解决方案就是将电源按序排列，但是，在某些场合，这种做法是不足够的。一种更受青睐而且往往是强制性的解决方案是使各个电源在上电和断电期间彼此跟踪。 电源排序 ---简单地按某种预先确定的顺序来接通或关断电源的做法一般被称为“排序”。排序通常能够通过采用电源监控器或简单的数字逻辑电路来控制电源的接通/关断（或RUN/SS）引脚而得以实现。图1a和1b示出了采用一个LTC2902四通道电源监控器来对4个电源进行排序的情形。 ---不幸的是，单靠排序有时是不够的。许多数字IC都在其I/O和内核电源之间规定了一个最大电压差，一旦它被超过则IC将会受损。在这些场合，对应的解决方案是使电源电压彼此跟踪。 电源跟踪 ---排序只是简单地规定了电源斜坡上升或斜坡下降的顺序，并且假定每个电源都在下一个电源开始变化之前转换。电源跟踪可确保电源之间的关系在整个上电和断电过程中都是可以预测。 ---图2示出了三种不同的电源跟踪形式。最常见是重合跟踪（见图2a），此时，各电压在达到其调节值之前是相等的。当采用偏移跟踪时（见图2b），各电压以相同的速率斜坡上升，但被预先设定的电压偏移或延时所分离。最后，当采用比例制跟踪时（见图2c），各电压同时开始斜坡上升，但速率不同。 ---实际上，随着设计精细等级的不断提升，能够使各电源相互跟踪。三种最常见的方法是（1）在电源之间采用钳位二极管；（2）布设与输出端串联的MOSFET；（3）利用反馈网络来控制输出。 ---如欲将各电源之间的电压差保持在一个或两个二极管压降之内，则可在电源轨之间采用钳位二极管或晶体管，这种解决方案虽然粗暴，但却简单（见图3）。在低电流条件下，该技术会是有效的，然而在高电流水平时，采用这种方法的后果则可能是灾难性。同步开关电源能够供应和吸收大量的电流。如果电压较高的电源斜坡上升速率高于电压较低的电源，则二极管或FET将接通，以便对电压较低的电源进行上拉操作。电压较低的电源将因此而吸收较多的电流，从而会有巨大的电流流过。这有可能导致电源超过容许的电压差，甚至引发器件故障。完全依靠二极管或FET钳位来实现跟踪功能并非最佳的解决方案。 ---另一种跟踪解决方案是在电源的输出端与负载之间布设串联MOSFET。在图4中，一个LTC2921跟踪三个电源。当首次施加电源时，MOSFET被关断且电源被允许以其自然速率斜坡上升。当电压稳定下来之后，MOSFET被同时接通，使得负载上的电压相互跟踪。这种技术需要用于驱动MOSFET和监视电源电压的电路，而且，当电流水平上升时，MOSFET中的压降和功耗便成为了一个问题。此外，这种拓扑结构还因为每个电源上的负载电容和负载电流可能有所不同的缘故，而使得电压的同步斜坡下降比较难以实现。 ---第三种方法是利用反馈网络来调节输出电压，以此来使电源相互跟踪。最简单的实现方法是将电流注入电源的反馈节点。在图5中，一个LTC2923跟踪两个电源。生成了一个主斜坡，而且电路被连接至其他从属电源的误差放大器反馈节点，从而使其输出跟随该主斜坡。该电路还使得电压能够一同斜坡下降。该技术是最精巧的，因为它不需要采用串联MOSFET或钳位二极管。然而，并不是所有的电源都具有可以使用的反馈节点，而且，虽然许多电源模块都具有一个修整引脚，但是一般来说输出电压只能在一个很小的范围内调节。因此，大多数实际解决方案均要求采用了上述几类技术的某种组合。 设计实例 ---图6中的电路在利用3.3V电源生成2.5V和1.8V电源的情况下实现了电源跟踪。在本例中采用了LTC2923，3.3V电源受控于一个N沟道MOSFET，而2.5V和1.8V DC/DC转换器则是通过其反馈节点得以控制的。 ---当3.3V输入电源接通时，晶体管Q1和两个DC/DC转换器被保持在关断状态。当3.3V输入上升（利用电阻器RONA和RONB在ON引脚上进行检测）之后，Q1的栅极由一个内部充电泵缓慢地接通。由于Q1被配置为一个N沟道源极跟随器，因此，RAMP引脚电平开始上升，并提供用于系统的主电压斜坡。 ---当针对重合跟踪来对TRACK1和TRACK2引脚上的电阻器进行配置时，电流被强迫流入或流出DC/DC转换器反馈节点，这样其输出将跟踪RAMP引脚电平的变化。图2a中的示波器扫迹便是采用该电路生成的。 - --一旦达到最终电压，LTC2923的FB1和FB2引脚将呈高阻抗状态。如果ON引脚被一个漏极开路逻辑器件拉至低电平，则输出将尾随降至低电平。通过改变与TRACK1和TRACK2引脚相连的电阻器阻值，可使同一个电路进行比例制跟踪或偏移跟踪模式的斜坡上升。图2b和2c中给出的示波器扫迹便是以这种方式生成的。另一种电阻器选择能够采用3.3V电源作为基准电压斜坡来对1.8V和2.5V电源进行排序（见图7）。对于需要三个以上电源的系统，可通过RAMP引脚对多个LTC2923控制器进行菊链式连接，以便控制数目不限的电源。 ---当不能使用DC/DC转换器模块的反馈节点时，可采用串联MOSFET来对电源进行跟踪。图8a中的电路采用LTC2922来跟踪三个电源。图8b示出了该电路的输出。当首次施加电源时，串联MOSFET被关断，且5V、3.3V和2.5V电源被允许上电。当电压稳定后，MOSFET被接通，输出电压一起上电。当输出电压达到其终值时，内部开关从输出端回接至模块上的正检测引脚。这将迫使模块对MOSFET的负载侧进行调节，以补偿FET两端的压降。采用一个检测电阻器来提供电路断路器功能，以保护主电源免遭短路故障的损坏，而一个电源良好（Power Good）引脚用于指示跟踪已完成。 结论 ---对于大多数多电源设计来说，相比简单的电源排序，使各电源的电压执行同步上升和下降跟踪是更加可取的解决方案。虽然从理论上讲这样做较为困难，但已经有了专用器件，这些器件能够极大地简化跟踪电路的设计 —— 即使在采用了大量特性迥然不同的电源系统中也是如此。