ADI:多电源体系的监控和时序操控

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导言

现在，电子体系往往具有许多不同的电源轨。在选用模仿电路和微处理器、DSP、ASIC、FPGA的体系中，特别如此。为完成牢靠、可重复的操作，有必要监控各电源电压的开关时序、上升和下降速率、加电次序以及起伏。既定的电源体系规划或许包含电源时序操控、电源盯梢、电源电压/电流监控和操控。有各式各样的电源办理IC能够履行时序操控、盯梢、上电和关断监控等功用。

时序操控和盯梢器材能够监控和操控多个电源轨，其功用或许包含设置敞开时刻和电压上升速率、欠压和过压毛病检测、余量微调（在标称电压值的必定规模内调整电源电压）以及有序关断。合适这些运用的IC品种很多，简略的如运用电阻、电容和比较器构成的纯模仿器材，杂乱的如高集成度状况机和经过 I²C bus.总线进行数字操控的可编程器材。某些状况下，体系的电压调节器和操控器或许包含要害操控功用.

关于选用多个开关操控器和调节器的体系，还有一个考虑是器材以不同开关频率作业时，怎么将发作的体系噪声降至最低。常常需求同步调节器的时钟，现实上，现在的许多高性能开关操控器和调节器都能够与外部时钟同步。

电源时序操控和盯梢

所谓电源时序操控，是指以指定次序开关电源。电源时序操控能够简略地依据既定的时刻次序，或许一个电源的敞开时刻取决于另一个电源何时到达设定的阈值。电源盯梢依据这样一个现实：电源电压无法（一般也不该）瞬间改动。电源体系规划师能够运用这一特性，有效地操控体系中各电源相关于其它电源的斜率。电源盯梢分为三类：同步、比率和偏移。图1中的四幅图对时序操控、同步盯梢、比率盯梢和偏移盯梢进行了比较。

图1a中，三个电源按必定的时刻次序敞开和封闭。首要是3.3 V电源敞开，后续电源的敞开和封闭延迟时刻取决于运用的需求。假如额定最大值要求电源按必定的次序激活，这种简略的时序操控技能将能保证有源器材的电压不会超越额定最大值。举例来说，在ADC驱动的放大器上电之前，咱们有必要保证ADC的电源存在，不然或许损坏ADC的前端。

图1b显现同步盯梢状况，一切三个电源一起敞开，并且以相同的速率互相盯梢，因而最低电源电压首要树立，然后是较高的电源电压。电源关断以相反的办法进行。这个比如很好地说明晰老式FPGA或微处理器运用中电源是怎么接通的：首要激活较低的内核电压，然后接通辅佐或I/O电源。稍后将以Xilinx Virtex-5 FPGA的同步盯梢举例说明。

图1c中，电源以不同的斜率上电。如前所述，能够对电源的斜率dV/dt进行操控是一个十分有用的特性，它能够避免电路中去耦电容的大浪涌电流（充电电流）损坏器材。假如不加约束的话，浪涌电流或许大大超越标称作业电流。斜率约束能够避免有源器材闩锁、电容短路、PCB走线受损以及线路保险丝熔断。

图1d中，一切电源具有相同的斜率，但其施加时刻由预订的失调电压决议。此类盯梢适用于需求约束电源电压差（常常出现在DAC和ADC等混合信号器材的额定最大值部分）的器材，这种办法能够避免器材永久性受损。

依据FPGA的规划示例

运用FPGA体系的供电是评论多电源体系处理的活教材。恰当的FPGA电源操控关于完成牢靠、可重复的规划至关重要，不然或许会在实验室乃至现场引发灾难性毛病。大多数FPGA具有多个电源轨，一般表明为 V_CCO, V_CCAUX,和 V_CCINT.这些电源别离用于为FPGA内核、辅佐电路（如时钟和PLL等）、接口逻辑供电.

这些电源轨需求考虑的事项能够分为如下几类:

• 电源轨的时序操控
• 电源轨电压的容差要求
• 电源或许有软发动或斜率操控需求

下面以Xilinx Virtex-5系列FPGA的电源要求为例来说明，该系列供给许多特性，包含逻辑可编程才能、信号处理和时钟办理。依据数据手册，Virtex-5的电源上电次序要求为 V_CCINT, V_CCAUX,和 V_CCO.这些电源相关于地的斜坡时刻为200 μs（最小值）至50 ms（最大值）。主张作业条件如表1所示。

表1. Xilinx Virtex-5电源轨要求

如前所述，Virtex-5要求同步电压盯梢。此外，电源有必要在特定的主张作业容差规模内，并且有必要在特定的dV/dt规模内上升和下降.dV/dt.

可是，FPGA仅仅一个较大体系的一部分。为了进一步说明本例，假设有一个高电流、5 V主体系电源轨。为FPGA内核供电的1 V电源具有±5% (±50 mV)的容差，需求供给最高4 A的电流。3 V电源为通用逻辑电源，具有±5%的容差，在本例中需求供给4 A电流以便为FPGA I/O和规划中的其它逻辑器材供电。2.5 V电源为模仿电源，需求供给低噪声的100 mA电流.

针对此运用，运用双通道降压操控器ADP1850 供给1 V和3 V高电流电源是一个很好的解决方案。ADP1850具有许多特性，其间包含：软发动操控、同步盯梢以及主从电源时序操控。上电时的上升速率由SS1和SS2引脚上的电容操控。本例中，3 V数字电源是主电源。针对2.5 V模仿电源，超低噪声 低压差调节器(LDO)ADP150 是绝佳挑选，它能够运用ADP1850的PGOOD2信号进行时序操控。图2为该体系的简化框图，显现了时序操控的一般流程，概况拜见ADP1850数据手册。

上例说明晰时序操控和盯梢的常见运用办法，能够将其扩展到当今的许多多电源体系，包含依据微处理器的体系和触及混合信号技能（ADC和DAC）的体系。

模仿电压和电流监控(ADM1191)

针对要求精细监控多个体系电源电流和电压的高牢靠性运用，能够运用简略易行的模仿监控电路。例如， 数字电源监控器 ADM1191 供给1%的丈量精度，包含一个用于电流和电压回读的12位ADC、一个精细电流检测放大器以及一路用于供给过流中止的alertB输出。图3显现了ADM1191结合一个主操控器（如微处理器或微操控器等）的运用。

ADM1191经过I²C 总线与主操控器通讯。经过装备A0和A1引脚的逻辑输入电平，同一体系最多能够支撑16个器材的寻址。本地操控器能够将测得的电压与电流相乘，然后核算电源轨的功耗。发作过流状况时，alertB信号经过一个中止快速告诉操控器，这个关于毛病状况的快速报警能够协助维护体系免遭损坏。

时序操控和监控的结合

大型固定体系，乃至某些高性能插卡，具有许多需求操控和监控的电源轨。图4触及到一个具有8个电源轨的杂乱电源体系的操控。体系的中心是ADM1066, 它是一款灵敏的高集成度超级电源时序操控器Super Sequencer^®可供给完好的电源操控功用，特性包含时序操控、监控、余量微谐和编程才能。ADM106x系列中的其它器材还具有温度监控和看门狗功用。

8轨体系具有三个主电源轨：12 V、5 V和3 V。其它电源轨则是运用开关调节器和LDO从这些主电源轨发作。每个调节器具有一路使能输入，它由ADM1066的10路可编程驱动器(PD)输出之一驱动，因而用户能够依照必定的受控次序使一切电源轨上电。ADM1066具有一个片上电荷泵，能够进步6路PD输出电压以供给外部N-MOSFET的高驱动电压；当需求操控更高电压的电源时，外部N-MOSFET用作电源轨开关。

ADM1066具有片上EEPROM，用以存储电源体系操控参数。ADI公司的实用程序 为器材装备供给了便当，大大简化了上电和运转使命，消除了费时的代码开发作业。当体系进一步开展，以及有新器材参加规划时，能够轻松调整电源序列。时序参数和电压跳变点很简略从头编程。这个功用十分有用，能够节约开发时刻，下降电路板开发或许延误的危险

数字输出信号——PWRGD（电源杰出）、VALID和SYSRST（体系康复）——由ADM1066在轮询时发作，或许经过中止/数字输入供给，以便将电源体系的状况奉告体系微操控器，然后在发作毛病时能够采纳办法。这种快速告诉能够避免电容短路和其它危险状况引发灾难性危害。PWR_ON和/RESET是从体系操控器到ADM1066的数字输入，用以构成完好的体系操控环路。

运用ADM1066进行电源余量微调

在体系开发期间，当规划工程师需求调整电源电压以优化其电平或使其违背标称值时，能够运用ADM1066的片内DAC来履行电源余量微调。运用这种余量微调特性，能够在电源约束规模内对体系进行全面特性测验，而不需求运用外部仪器。该功用通常是在在线测验(ICT)期间履行，例如：当制造商期望保证受测产品能够在标称电源电压±5%的规模内正常作业时。依据图4所示的电路，用户能够在许多电源轨上完成余量微调。

开环电源余量微调

对DC/DC转换器或LDO等电源进行余量微调的最简略办法，是将额定电阻切换到电源模块的反应节点中，以改动反应或调整节点的电压，然后运用DAC迫使输出电压上调或下调所需的起伏。选用这种衰减器（图5）时，能够经过SMBus更新相关DAC输出的值，然后长途指令ADM11066履行电源余量微调。该进程能够运用独立于体系操控环路的开环技能完成。

ADM1066最多能够为6个电源履行开环余量微调，它运用6个片上电压输出DAC（DAC1至DAC6）驱动要微调的电源模块的反应引脚。完成这一功用的最简略电路是运用一个衰减电阻(R3)，将DACx引脚连接到DC/DC转换器的反应节点。当DACx输出电压设定为与反应电压持平时，无电流流入衰减电阻，DC/DC转换器的输出电压不发作改动。当DACx输出电压高于反应电压时，电流流入反应节点，DC/DC转换器的输出有必要下降以进行补偿。要进步DC/DC转换器输出，DACx输出电压设定值须低于反应节点电压。为下降噪声，如图中所示，能够将该串联电阻分红两个电阻，其间的节点能够经过一个电容去耦到DC/DC转换器的地

闭环电源余量微调

一种更准确、更全面的余量微调办法是在闭环体系中运用相似的电路。图4所示为针对1.2 V输出的一个比如。要微调的电源轨电压能够经过VX2回读，保证将其准确调整到方针电压。ADM1066集成了履行微调所需的悉数电路，12位逐次迫临型ADC用于读取受监控电压的电平，6个电压输出DAC用于依照上述办法调整电源电平。这些电路能够合作微操控器等其它智能器材运用，以完成闭环余量微调体系，它能够将DC/DC转换器或LDO电源设定到任何电压，精度为方针值的±0.5%。

为了在要测验的电源轨上完成闭环余量微调，请履行下列进程：

1. 禁用6路DACx输出。
2. DACx输出电压设定为反应节点电压
3. 使能DAC
4. 读取连接到VPx、VH或VXx引脚之一的DC/DC转换器输出的电压。
5. 需求时，进步或下降DACx输出电压以调整DC/DC转换器输出电压。不然就中止，方针电压现已到达。
6. 将DAC输出电压设定为某一值，使电源输出改动所需的起伏（例如±5%）。
7. 重复该进程，直至到达该电源轨所需的电压

进程1至3保证各DACx输出缓冲器敞开时，它对DC/DC转换器输出的直接影响十分小。DAC输出缓冲器的作用是消除上电时的瞬变”毛刺”，因为缓冲器首要上电并跟从引脚电压，此刻它不驱动该引脚。一旦输出缓冲器正确使能，缓冲器输入即切换到DAC，缓冲器的输出级敞开，然后消除输出毛刺。

开关调节器的同步

在具有多个电源轨并运用一个以上开关调节器或操控器的体系中，因为内部开关频率的差异，这些器材之间或许会相互作用。这会引起拍频谐波，大幅进步电源噪声，严重影响EMI测验。走运的是，许多开关操控器和调节器在规划上都支撑内部时钟同步。LDO不存在这个问题，但其电流输出有限，并且在大多数状况功率较差，因而有时或许不合需求。

双通道开关调节器、ADP2116 便是可同步器材的一个很好的比如。经过SCFG引脚，可将其SYNC/CLKOUT引脚装备为输入SYNC引脚或输出CLKOUT引脚。作为输入SYNC引脚，它可让ADP2116与外部时钟同步，两个通道以外部时钟频率的一半、互相180°错相作业。

作为输出CLKOUT引脚，它可供给输出时钟，其频率是通道开关频率的两倍且90°错相。因而，一个装备为CLKOUT的ADP2116能够充任主转换器，为一切其它DC/DC转换器（包含其它ADP2116器材）供给外部时钟（图6）。装备为从器材时，它接纳主器材的外部时钟并与之同步。经过同步体系内的一切DC/DC转换器，这种办法可避免发作能导致EMI问题的拍频谐波。

结束语

本文评论多电源体系的处理办法。时序操控器、监控器、调节器和操控器具有十分高的功用集成度，便于规划工程师处理潜在的电源问题，而无需选用悉数是分立IC的电路板。这些器材对规划工程师十分有用，能够进步规划成功的概率，下降从头规划的或许性和电路板开发延误的危险。

参阅电路

Moloney, Alan. “Power Supply Management—Principles, Problems, and Parts.” Analog Dialogue. 40-2. May 2006.