電源排序 - 選擇與權(quán)衡：第 1 部分

系統(tǒng)中多個(gè)電源軌的正確排序是一項(xiàng)關(guān)鍵功能，可以使用不同的方法來實(shí)現(xiàn)。

經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師知道，產(chǎn)品運(yùn)行周期中最危險(xiǎn)的時(shí)期之一是通電時(shí)。在此通電階段，多個(gè)電源軌中的每一個(gè)都必須以正確的順序在指定的時(shí)間窗口內(nèi)達(dá)到其標(biāo)稱值，并且沒有瞬變、振鈴或過沖。

如果順序不正確，在最好的情況下，系統(tǒng)將無法正?！皢?dòng)”，或者其性能將不穩(wěn)定(但重試時(shí)可能會(huì)正常工作);在最壞的情況下，某些組件將損壞，這對(duì)于電源設(shè)備來說尤其危險(xiǎn)。請(qǐng)注意，斷電可能有類似的時(shí)間要求，并存在損壞風(fēng)險(xiǎn)——當(dāng)然，直到下次設(shè)備通電，設(shè)備不再像以前那樣工作。

高性能 IC(例如 FPGA)可能有六個(gè)或更多不同的直流電源軌，用于支持設(shè)備核心、RAM、內(nèi)部緩沖器和外部 I/O(例如 I 2 C、SPI、LVDS 和其他端口)。這些電源軌可能具有不同但間隔很近的標(biāo)稱值，例如 1.2 V、1.5 V 和 1.7 V，或者其中幾個(gè)電源軌可能具有相同的標(biāo)稱值，但公差或物理位置不同。同樣，高度集成、專用的 IC(例如 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn))可能有多個(gè)電源軌來支持內(nèi)部功能以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所需的接口電壓或天線驅(qū)動(dòng)器及其功率放大器的雙極電源。

電源軌數(shù)量并不止于單個(gè) IC。此類電源軌的數(shù)量通常會(huì)隨著整個(gè)系統(tǒng)的增加而進(jìn)一步增加，整個(gè)系統(tǒng)可能具有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、功率 MOSFET/IGBT 或特殊通信接口(如以太網(wǎng)或甚至傳統(tǒng) RS-232/422 端口)。因此，無論物理尺寸如何，整個(gè)系統(tǒng)可能具有十個(gè)或更多由獨(dú)立直流穩(wěn)壓器(也稱為電源轉(zhuǎn)換器)供電的電源軌。

設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是確保在施加主電源時(shí)(無論是通過分立的開關(guān)還是等效的軟開關(guān))，這些電源軌能夠按照精心設(shè)計(jì)的順序加電至其最終值(圖 1)。

圖 1. 多軌系統(tǒng)中的電源排序規(guī)定，只有在其他電源軌完全開啟后，或者其他電源軌的某個(gè)組合達(dá)到其最終值后，才能開啟某些電源軌;也可能有關(guān)閉要求，如由 Enpirion ES1021QI 控制的排序所示。

即使沒有永久性損壞，操作故障也可能是錯(cuò)誤排序的不可接受的后果：考慮在電機(jī)控制軟件初始化并準(zhǔn)備好控制這些 MOSFET 之前打開電機(jī)功率 MOSFET 的影響。這些問題也不一定與正式的上電事件有關(guān);相反，它們可能是由于在“熱插拔”設(shè)計(jì)中插入電路板造成的。

為了解決這些問題，可以使用專門的電源管理 IC (PMIC) 來實(shí)現(xiàn)電源排序和定時(shí)。全功能 PMIC 允許設(shè)計(jì)工程師：

· 建立多個(gè)軌道間相互開啟/關(guān)閉的順序。

· 如果需要的話，控制每條軌道的上升/下降速率。

· 如果任何一條軌道出現(xiàn)故障，則管理各個(gè)軌道。

通常，電源軌之間的時(shí)序由電源軌電壓而不是絕對(duì)時(shí)間值和滯后決定，連續(xù)電源軌“開啟”的時(shí)間間隔為毫秒級(jí)。相互關(guān)系準(zhǔn)則范圍很廣，從簡(jiǎn)單(例如“僅在電源軌 A 開啟時(shí)開啟電源軌 B”)到更復(fù)雜(例如“僅在 A 和 B 電源軌都處于最終電壓時(shí)開啟電源軌 C”)。請(qǐng)注意，“開啟”由應(yīng)用要求定義，通常是最終電源軌電壓的 90%，但在關(guān)鍵應(yīng)用中，它可能在最終電壓的 5% 甚至 2% 內(nèi)達(dá)到。

盡管在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，電壓才是關(guān)鍵，而不是時(shí)間本身，但有些設(shè)計(jì)卻以時(shí)序作為標(biāo)準(zhǔn)。如果設(shè)計(jì)人員知道特定電壓軌需要明確的時(shí)間才能達(dá)到所需值，那么這是可能的，而且時(shí)序比電壓更容易準(zhǔn)確測(cè)量。

在這些情況下，諸如“一旦電源 B 開啟，就開啟電源 A 軌”這樣的規(guī)則被翻譯成“在 A 軌開啟 50 毫秒后開啟 B 軌”。然而，這種方法必須謹(jǐn)慎使用，因?yàn)槌恕按藭r(shí)應(yīng)該足夠好”之外，沒有其他方法可以驗(yàn)證電源 A 軌是否真的達(dá)到了所需值。

一些 PMIC 集成了 DC/DC 穩(wěn)壓器(LDO 和開關(guān))以及必要的排序。它們針對(duì)筆記本電腦等目標(biāo)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化(CPU、內(nèi)存、顯示器、I/O 和其他標(biāo)準(zhǔn)功能)。雖然這些顯然非常適合預(yù)期應(yīng)用，并且應(yīng)該在此背景下考慮，但它們也固有地限制了設(shè)計(jì)人員為其他應(yīng)用選擇電壓軌和類型的整體靈活性。

對(duì)電源進(jìn)行排序的要求并非新鮮事物。例如，對(duì)于真空管(現(xiàn)在大部分真空管已被集成電路取代，只有 X 射線機(jī)或無線電/電視廣播發(fā)射機(jī)等特殊應(yīng)用除外)而言，這是一項(xiàng)常見要求。真空管的燈絲可能必須打開并達(dá)到最終工作溫度，然后真空管的極板才能通過其“B+”電壓通電。對(duì)于 20 世紀(jì) 40 年代和 50 年代著名的五管 AM 收音機(jī)，此時(shí)間延遲為零，而對(duì)于 kW 級(jí)廣播發(fā)射機(jī)中使用的真空管，則為數(shù)分鐘。

有時(shí)，系統(tǒng)操作員會(huì)通過開/關(guān)開關(guān)手動(dòng)執(zhí)行該順序;在其他情況下，則使用內(nèi)置計(jì)時(shí)器的特殊機(jī)電繼電器。當(dāng)然，對(duì)于當(dāng)今的大多數(shù)產(chǎn)品，尤其是針對(duì)大眾市場(chǎng)和普通消費(fèi)者的產(chǎn)品，手動(dòng)控制或基于繼電器的解決方案都不實(shí)用或不可取。

從物理層開始

在任何有關(guān)電源排序的討論中，都需要牢記兩個(gè)方面：來自定序器的控制信號(hào)和每個(gè)直流調(diào)節(jié)器的相應(yīng)控制輸入。

圖 2. PMIC 的輸出用于直接控制電壓調(diào)節(jié)器或驅(qū)動(dòng)外部分立 MOSFET，后者充當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出和電源軌本身之間的開關(guān);此處，在電源 VX 和電源軌 VXOUT 之間的頂部有四個(gè)這樣的 MOSFET，其中 x 為 1、2、3 或 4。

顯然，序列發(fā)生器必須具有足夠的控制輸出，在某些情況下，還應(yīng)提供一些擴(kuò)展數(shù)量(如果需要)。這些輸出是簡(jiǎn)單的邏輯級(jí)控制信號(hào)。

它們所啟用的互補(bǔ)直流穩(wěn)壓器必須具有單引腳使能 (EN) 輸入，或者用戶必須在穩(wěn)壓器輸出和其驅(qū)動(dòng)的物理電源軌之間添加一個(gè)電子開關(guān)(通常是 MOSFET)，然后控制此開關(guān)(圖 2)。

通常，最好選擇具有簡(jiǎn)單邏輯電平啟用控制的直流穩(wěn)壓器(如果可用)，或者選擇 PMIC，它可以直接驅(qū)動(dòng)具有合適電流/電壓額定值的分立電源軌開/關(guān) MOSFET，而不需要單獨(dú)的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。

在最簡(jiǎn)單的順序排序情況下，當(dāng)另一條軌道變?yōu)椤傲己谩睍r(shí)，每條軌道串聯(lián)打開，解決方案通常很簡(jiǎn)單。如果每個(gè)前一條軌道的調(diào)節(jié)器都有一個(gè)“電源良好”(PG) 輸出，而下一個(gè)調(diào)節(jié)器有一個(gè)啟用控制輸入，則 PG 指示器連接到 EN 輸入。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)調(diào)節(jié)器發(fā)出 PG 信號(hào)時(shí)，它會(huì)自動(dòng)打開下一個(gè)調(diào)節(jié)器，依此類推，形成一種“菊花鏈”漣漪效應(yīng)(圖 3)。

圖 3. 在某些情況下，一種簡(jiǎn)單但足夠的排序方法是讓一個(gè)穩(wěn)壓器的電源良好 (PG) 輸出按順序成為下一個(gè)穩(wěn)壓器的啟用 (EN) 輸入;這里，兩個(gè)按順序排列的德州儀器 TPS62085 降壓 (buck) 穩(wěn)壓器為直流電源軌 V OUT1和 V OUT2供電。

這種方法適用于任何數(shù)量的串聯(lián)直流穩(wěn)壓器，但這種優(yōu)點(diǎn)也是它的局限性：它們必須具有順序模式(盡管一個(gè) PG 可以連接到多個(gè) EN)，并且靈活性很差。此外，當(dāng)一個(gè)電源必須等待指定的時(shí)間間隔才能開啟時(shí)，這種方法無法控制時(shí)序，也無法解決關(guān)閉順序問題，而這可能與開啟一樣重要。

為了克服其中一些問題，可以使用帶定時(shí)器控制的復(fù)位 IC 進(jìn)行上電排序?？梢允褂霉爬隙喙δ艿?555 定時(shí)器 IC(或較新的變體)來控制排序，方法是在第一個(gè)軌道達(dá)到標(biāo)稱窗口值后或軌道關(guān)閉后調(diào)用一個(gè)時(shí)間段。該時(shí)間段由用戶使用 555 的電阻在硬件中設(shè)置，因此它是由設(shè)計(jì)和 BOM 而不是固件確定的(圖 4)。雖然這看起來可能不是一種優(yōu)雅的方法，但它是一種有效的方法，尤其適用于只有在設(shè)計(jì)完成并評(píng)估原型板后才發(fā)現(xiàn)排序問題的情況(是的，這種情況確實(shí)會(huì)發(fā)生)。

圖 4. 某些設(shè)計(jì)中的另一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案是使用簡(jiǎn)單的 555 型 IC 作為基本計(jì)時(shí)器，以提供由電阻值設(shè)定的延遲。

對(duì)于具有更多供電軌且需要更大靈活性的系統(tǒng)，可以使用 ADI 公司/Maxim Integrated 公司的 MAX16029 等 PMIC 來實(shí)現(xiàn)四通道供電，用戶可以通過電容器對(duì)延時(shí)周期進(jìn)行編程，從而避免內(nèi)存易失性或啟動(dòng)問題(圖 5)。

圖 5. MAX16029 PMIC 使用電容器來編程四個(gè)獨(dú)立通道的時(shí)間延遲，并支持高達(dá) 28 V 的直流電軌。

四個(gè)通道彼此獨(dú)立，每個(gè)通道的輸出都可用于開漏配置，支持高達(dá) 28 V 的軌電壓，這是更高范圍的直流穩(wěn)壓器所需的。具有此功能的其他 PMIC 通過 PMBus 接口而不是電容器或電阻器來設(shè)置時(shí)序，因此可以菊花鏈連接以處理四個(gè)以上的軌。