控制電源啟動(dòng)及關(guān)斷時(shí)序

微處理器、FPGA、DSP、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和片上系統(tǒng) (SoC) 器件一般需要多個(gè)電壓軌才能運(yùn)行。為防止出現(xiàn)鎖定、總線爭(zhēng)用問(wèn)題和高涌流，設(shè)計(jì)人員需要按特定順序啟動(dòng)和關(guān)斷這些電源軌。此過(guò)程稱為電源時(shí)序控制或電源定序，目前有許多解決方案可以有效實(shí)現(xiàn)定序。

此外，為有效進(jìn)行升壓和關(guān)斷而應(yīng)運(yùn)而生的各種電源定序器、監(jiān)視器和監(jiān)控器還采用了電壓和電流水平監(jiān)控技術(shù)來(lái)計(jì)算功率水平，目的是保護(hù)復(fù)雜的集成電路和子組件。

本文將詳細(xì)介紹電源定序，探討電源定序規(guī)范和技術(shù)，以及如何使用電源定序器來(lái)實(shí)現(xiàn)指定的電源軌定時(shí)及定序。

為什么要關(guān)注電源定序?

FPGA 及類似的復(fù)雜集成電路 (IC) 可在內(nèi)部分解成多個(gè)功率域。在啟動(dòng)或關(guān)斷器件時(shí)，此類 IC 大多需要特定的順序。例如，F(xiàn)PGA 通常需要分別為內(nèi)核邏輯、I/O 和輔助電路上電。

其內(nèi)核通常包括 FPGA 的處理器和基本邏輯單元。該功率域具有低電壓、高電流功率規(guī)范特征。由于電壓極低，因此其對(duì)精度要求極高，而由于數(shù)字負(fù)載的動(dòng)態(tài)特性，瞬態(tài)性能必須非常出色。I/O 代表 FPGA 的各種輸入和輸出。電壓要求取決于接口類型。一般來(lái)說(shuō)，其電壓電平需大于內(nèi)核的電壓電平。電流要求則取決于 I/O 的類型、數(shù)量和速度。

輔助電路包括 FPGA 中的噪聲敏感型模擬電路，例如鎖相環(huán) (PLL) 和其他模擬電路元件。雖然電流要求相當(dāng)?shù)停y波電壓是個(gè)大問(wèn)題，必須最大程度地降低紋波電壓。模擬部分的紋波可能會(huì)導(dǎo)致 PLL 出現(xiàn)過(guò)大抖動(dòng)和相位噪聲，還可能導(dǎo)致放大器出現(xiàn)雜散響應(yīng)。

以錯(cuò)誤順序啟動(dòng)各功率域的電源可能會(huì)引起問(wèn)題，并可能導(dǎo)致 FPGA 受損。需要考慮的是，I/O 部分基于三態(tài)總線收發(fā)數(shù)據(jù)，而內(nèi)核負(fù)責(zé)處理 I/O 控制。如果 I/O 功率域在內(nèi)核之前上電，則 I/O 引腳會(huì)以不確定狀態(tài)結(jié)束。如果外部總線組件上電，則可能存在總線爭(zhēng)用問(wèn)題，導(dǎo)致 I/O 驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)高電流。因此，內(nèi)核應(yīng)在 I/O 功率域之前啟動(dòng)。請(qǐng)務(wù)必查閱供應(yīng)商的 FPGA 規(guī)范，了解推薦的電源啟動(dòng)和關(guān)斷順序以及電源軌之間的最大差分電壓。

同樣，功率運(yùn)算放大器等器件擁有兩個(gè)功率域：模擬域和數(shù)字域。數(shù)字域?yàn)榉糯笃鞯脑\斷狀態(tài)標(biāo)記提供電源，識(shí)別過(guò)熱和過(guò)流狀態(tài)。此外，數(shù)字域還支持放大器的使能/關(guān)斷功能。該器件規(guī)格要求，數(shù)字域應(yīng)在模擬電源之前上電，以便這些狀態(tài)標(biāo)記在模擬域上電之前能夠正常運(yùn)行。這樣做的目的是防止可能對(duì)器件造成損壞。

電源定序方法

通常有三種類型的多軌定序(圖 1)。最常用的方法是順序定序，這種方法是先接通一個(gè)電源軌，然后延時(shí)，然后再接通下一個(gè)電源軌。設(shè)置延時(shí)的目的是確保第一個(gè)電源軌在第二個(gè)電源軌啟動(dòng)之前達(dá)到穩(wěn)壓。

圖 1：三種電源定序技術(shù)。不論采用哪種技術(shù)，電壓均須以單調(diào)方式上升。否則，器件可能會(huì)因啟動(dòng)期間電壓意外下降而無(wú)法正確初始化。(圖片：Digi-Key Electronics)

第二種定序技術(shù)是比率定序。在該技術(shù)中，電源軌會(huì)同時(shí)啟動(dòng)并同時(shí)達(dá)到各自的額定電壓。這就需要電源軌上升時(shí)間與電源軌電壓成正比，才能同時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。

有些器件可能無(wú)法承受達(dá)到穩(wěn)壓之前發(fā)生的瞬時(shí)電壓差。而這可能導(dǎo)致器件在此期間在一個(gè)電源上消耗更高的電流。

第三種方法是同時(shí)啟動(dòng)，這種方法可以最大限度地減少瞬時(shí)電壓差，并且可以減少這些壓力的規(guī)模和周期。實(shí)施這種方法的一種常見(jiàn)方式是同時(shí)上電，即：電壓軌以相同速率一起上升，較高的電壓軌(通常是 I/O 電壓軌)在較低電壓軌或內(nèi)核電壓軌達(dá)到其最終值后繼續(xù)上升。

不論采用哪種技術(shù)，電壓均須以單調(diào)方式上升。否則，器件可能會(huì)因啟動(dòng)期間電壓意外下降而無(wú)法正確初始化。

另外，可以使用軟啟動(dòng)來(lái)限制啟動(dòng)期間的涌流。這種做法可以限制啟動(dòng)期間的電流，從而允許啟動(dòng)時(shí)逐漸對(duì)電源軌電容進(jìn)行充電。

電源關(guān)斷順序通常被指定成與啟動(dòng)順序相反。

選擇使用何種啟動(dòng)或關(guān)斷技術(shù)應(yīng)取決于器件的規(guī)格。

電源定序示例

同時(shí)啟動(dòng)相對(duì)容易設(shè)置。您需要將最高電壓輸出連接到較低電壓穩(wěn)壓器的輸入上(圖 2)。

圖 2：通過(guò)以菊花鏈方式連接穩(wěn)壓器可以實(shí)現(xiàn) 5 V 電源和 3.3 V 電源的同時(shí)啟動(dòng)。(圖片：Digi-Key Electronics)[!--empirenews.page--]

在本示例中，較高電壓是 5 V 電源。這個(gè) 5 V 電壓也饋入 3.3 V 穩(wěn)壓器。圖中顯示的是 5 V 和 3.3 V 電源同時(shí)上升且最小壓差達(dá)到 3.3 V 電源穩(wěn)壓點(diǎn)時(shí)的電壓輸出。

該定序技術(shù)最好使用定序器集成電路(如 Texas Instruments 的 LM3880)來(lái)實(shí)現(xiàn)。LM3880 是一款簡(jiǎn)單的電源定序器，可通過(guò)穩(wěn)壓器或電源的使能輸入來(lái)控制多個(gè)獨(dú)立的穩(wěn)壓器或電源。

當(dāng) LM3880 啟動(dòng)時(shí)，三個(gè)輸出標(biāo)志將在各個(gè)延遲時(shí)間后依次釋放，從而允許連接的電源進(jìn)行啟動(dòng)。在關(guān)斷期間，輸出標(biāo)志將遵循相反的順序。下圖是一個(gè)使用 LM3880 的設(shè)計(jì)實(shí)例，采用 Texas Instruments 的 WEBENCH Power Designer 軟件設(shè)計(jì)而成(圖 3)。這款免費(fèi)軟件工具不僅能幫助工程師設(shè)計(jì)與電源相關(guān)的電路，而且還能提供示意圖、材料清單及模擬結(jié)果。該圖顯示了示意圖、圖表、使能以及三個(gè)標(biāo)志輸出。

LM3880 的延遲時(shí)間和次序是固定不變的，但可通過(guò)內(nèi)置的 EPROM 在工廠進(jìn)行定制。此外，Texas Instruments 還為 LM3881 定序器提供了電容器可編程延遲功能。

圖 3：Texas Instruments 的 WEBENCH Power Designer 軟件屏幕截圖顯示了 LM3880 設(shè)計(jì)示意圖以及用于控制外部穩(wěn)壓器或電源的使能輸入及輸出標(biāo)志圖表。(圖片：Digi-Key Electronics)

Analog Devices 的 LTC2937 定序器/電壓監(jiān)控器是一款稍微復(fù)雜的電源控制器件。與 LM3880 一樣，LTC2937 可以控制多達(dá)六個(gè)電源或穩(wěn)壓器的時(shí)序和時(shí)間延遲(圖 4)。

圖 4：LTC2937 最多可以控制六個(gè)電源時(shí)序，同時(shí)還可以監(jiān)控電源軌電壓。通過(guò)一根電線可以同步多個(gè)器件，最多可控制 300 個(gè)電源。(圖片：Analog Devices)

除了最多可對(duì)六個(gè)電源軌進(jìn)行定序外，這款定序器還可以監(jiān)控這些電源軌上的電壓，進(jìn)而過(guò)壓、欠壓、壓降及失控電源啟動(dòng)檢測(cè)。如果發(fā)生故障，您可以對(duì)該器件進(jìn)行編程以關(guān)斷或重啟電源。錯(cuò)誤情況將會(huì)記錄到內(nèi)部的 EEPROM 中。LTC2937 可通過(guò) I2C 或 SMBus 進(jìn)行編程和控制。其編程可借助 Analog Devices 的 LTpowerPlay GUI 軟件進(jìn)行。EEPROM 支持自主運(yùn)行且無(wú)需軟件。若系統(tǒng)需要六個(gè)以上電源軌，只需將多個(gè) LTC2937 鏈接在一起，即可控制多達(dá) 300 個(gè)電源。

對(duì)于復(fù)雜的多核處理器、FPGA 以及其他 SOC 器件，Texas Instruments 提供了 TPS650860 可配置多軌電源管理單元。這款單 IC、輸入電壓范圍 5.6 V - 21 V 的電源管理單元包含三個(gè)降壓控制器、三個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器、一個(gè)灌入或拉出低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器、三個(gè)低壓輸入 LDO、穩(wěn)壓器和三個(gè)負(fù)載開關(guān)(圖 5)。

圖 5：Texas Instruments 的 TPS650860 功能框圖顯示了 13 個(gè)時(shí)序完全受控的穩(wěn)壓輸出。(圖片：Texas Instruments)

該器件具有 13個(gè)穩(wěn)壓輸出，可滿足 FPGA 或其他負(fù)載器件的需求。

其降壓轉(zhuǎn)換器含內(nèi)置功率級(jí)，而降壓控制器則需要外部功率級(jí)。無(wú)論是轉(zhuǎn)換器，還是控制器，均集成了電壓感應(yīng)輸入來(lái)監(jiān)控電源輸出，從而實(shí)現(xiàn)定序控制。其負(fù)載開關(guān)含有壓擺率控制，可以針對(duì)三種定序類型(順序、比率或同時(shí))的任意一種對(duì)與這些開關(guān)有關(guān)的電源軌進(jìn)行編程。

TPS650860 經(jīng)由 I2C 接口進(jìn)行控制，因此可通過(guò)嵌入式控制器或相關(guān) SoC 管理器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制。這種電源管理 IC 具有領(lǐng)先的控制靈活性。