電源管理原理解析及參考設(shè)計(jì)集錦

　　電源設(shè)計(jì)工程師通常采用靈活的電源監(jiān)視、時(shí)序控制和調(diào)節(jié)電路來管理他們的系統(tǒng)。本文討論電源管理的原理和方法。

　　多年來，為了使電子系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、耐用和正常工作，對越來越多的電源電壓進(jìn)行監(jiān)測和控制變得極為重要——特別是對于使用微處理器的系統(tǒng)。監(jiān)測一組電源電壓是否超過閾值或者仍然處于正常工作范圍內(nèi)，以及該電壓是否相對于其它電壓依照正確時(shí)序啟動或關(guān)閉，對于系統(tǒng)工作的可靠性和安全性來說是至關(guān)重要的。對于這個問題，在每個不同角度上都有著許多解決的方法。例如，利用一個由精密電阻分壓器、比較器和參考電壓所組成的簡單電路，能夠用來檢測一組電源電壓是否高于或低于某一規(guī)定電壓。在復(fù)位發(fā)生器中，例如ADM8032，這種元件與一個延遲元件相結(jié)合來控制器件——例如微處理器、專用集成電路（ASIC）和數(shù)字信號處理器（DSP）——在電源啟動的同時(shí)就處于復(fù)位狀態(tài)。這種等級的監(jiān)測對于許多應(yīng)用來說是足以勝任的。當(dāng)需要監(jiān)測多組電源電壓時(shí)，通常將多個器件（或是多通道比較器及其相關(guān)電路）并聯(lián)使用，但是增加了對監(jiān)控IC的要求，不再是簡單的閾值比較。

　　在許多應(yīng)用中，電源的數(shù)目也顯著增加。在一些復(fù)雜、昂貴的系統(tǒng)中，例如局域網(wǎng)（LAN）交換機(jī)和蜂窩電話基站，通常都會有內(nèi)含10組或更多電源的線路卡；即使注重降低成本的消費(fèi)類系統(tǒng)，例如等離子電視，也可能有多達(dá)15組的獨(dú)立電源，其中許多電源需要監(jiān)測和時(shí)序控制?，F(xiàn)今許多高性能的IC都需要多組電源，例如，對于許多器件而言，提供獨(dú)立的內(nèi)核電源電壓和I/O電源電壓已成為一種標(biāo)準(zhǔn)作法。在高端產(chǎn)品方面，每顆 DSP可能需要高達(dá)四個獨(dú)立供應(yīng)的電源。在許多情況下，多顆多電源器件可能共同存在于同一系統(tǒng)中，其中包含FPGA、ASIC、DSP、微處理器和微控制器（以及模擬單元）。

　　許多器件都采用標(biāo)準(zhǔn)電源電壓（例如 3.3 V），而另一些器件可能需要專用電源電壓。除此之外，一個特定的標(biāo)準(zhǔn)電壓還可能需要根據(jù)不同的供應(yīng)對象而個別加以調(diào)整。例如，有時(shí)會需要像3.3 VANALOG和3.3 VDIGITAL這樣獨(dú)立供應(yīng)的模擬電源和數(shù)字電源。為了提高效率（例如：供應(yīng)給內(nèi)存使用的電源電流可能達(dá)到數(shù)百安培）或者為了滿足時(shí)序要求（個別的器件在不同時(shí)間需要3.3 VA以及3.3 VB），多次產(chǎn)生相同的電壓有時(shí)可能是必要的。所有的這些因素都促使電源數(shù)目的增加。電源電壓監(jiān)測和時(shí)序控制有時(shí)會變得極為復(fù)雜，特別是當(dāng)一個系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)成能夠支持電源上電和電源關(guān)斷的時(shí)序控制、以及能夠在工作期間內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)上，針對各組電源所有可能的故障狀況產(chǎn)生多種響應(yīng)，而中心電源管理控制器正是解決這個難題的最佳方案。

　　隨著電源電壓數(shù)目的成加，故障發(fā)生的機(jī)率也隨著增加。其風(fēng)險(xiǎn)與電源數(shù)目、器件數(shù)量和系統(tǒng)復(fù)雜程度成比例增加。外在因素也會增加風(fēng)險(xiǎn)，例如，假如在初始設(shè)計(jì)階段，主要的ASIC的特性沒有被完整的定義清楚，那么電源設(shè)計(jì)工程師必須用硬件方法完成電壓閾值監(jiān)測和時(shí)序控制，因?yàn)闀S著ASIC的發(fā)展其電源電壓指標(biāo)會發(fā)生變化。假如其技術(shù)要求改變，那么其PCB必須根據(jù)——明確的進(jìn)程予以修改，這通常涉及到成本問題。另外，對于某些特定器件來說，其電源電壓的指標(biāo)可能會在其開發(fā)期間有所變化。在這種情況之下，對于任一個中心電源系統(tǒng)管理器來說，一個易于調(diào)整電源電壓的方法應(yīng)該是非常有用的。事實(shí)上，在對于此類系統(tǒng)的電源進(jìn)行監(jiān)測、時(shí)序控制和調(diào)節(jié)所應(yīng)具備的靈活性是非常必要的。

　　1.基本監(jiān)測

　　圖1示出一個利用ADCMP3543比較器和參考電壓源IC監(jiān)測多組電源電壓的簡單方法。其中，每組電源都使用一個獨(dú)立的電路，電阻分壓器將電源電壓降低，并對每一組電源電壓設(shè)定一個欠壓跳變點(diǎn)。此外，所有的輸出都結(jié)合起來，以產(chǎn)生一個公共的電源好信號。

　　　　圖1.用于三電源系統(tǒng)基于比較器的欠壓檢測和共同電源準(zhǔn)備好輸出指示

　　2.基本時(shí)序控制

　　圖2示出了如何用分立器件完成基本的時(shí)序控制，此處采用邏輯閾值而不是比較器。這里的12 V和5 V電源是在別處電路產(chǎn)生的。為了確保系統(tǒng)能夠正確地工作，必須導(dǎo)入一段時(shí)間延遲。在此是利用一個電阻電容（RC）的組合，以便緩慢地將串聯(lián)的5 V電源電壓施加在 N溝道場效應(yīng)晶體管（FET）的柵極上。此處所選用的RC值可確保在FET達(dá)到其閾值電壓并且在開啟之前有足夠的延遲時(shí)間，其中3.3 V和1.8 V電源電壓是由低壓差（LDO）穩(wěn)壓器ADP33304和ADP33335產(chǎn)生的。這兩個電壓的啟動時(shí)間也是利用RC時(shí)序控制的。由于RC能驅(qū)動每個LDO的關(guān)閉（SD）接腳，因此是不需要串聯(lián)FET。這里設(shè)定的RC值是為了確保在SD接腳的電壓爬升到其閾值以前有足夠的延遲時(shí)間（t2， t3）。

　　圖2．四組電源系統(tǒng)的基本分立式時(shí)序控制

　　這種簡單、低成本的時(shí)序控制電源的方法，占用很少的PCB面積，所以許多應(yīng)用都能夠完全接受。這種方法適合于成本是主要考慮，對于時(shí)序要求很簡單，而且時(shí)序電路的精確性不是十分重要的系統(tǒng)。

　　但在許多情況下，還會需要有比RC延遲電路更高的精確性。此外，這種簡單的解決方案也不能容許以結(jié)構(gòu)化的方法來處理故障情況（例如：一個5 V電源電壓失效最后也會影響到其它電源電壓）。

　　3.利用IC進(jìn)行時(shí)序控制

　　圖3示出如何使用ADM68206和ADM10867電源時(shí)序控制IC正確可靠地時(shí)序控制同一系統(tǒng)中的電源電壓。內(nèi)部比較器會檢測電源電壓何時(shí)超過精密設(shè)定值。經(jīng)過可編程的啟動延遲之后產(chǎn)生輸出，從而使得ADP33098和ADP33359穩(wěn)壓器能按照需求的時(shí)序工作。使用電阻比值來設(shè)定閾值；利用一只電容器來設(shè)定延遲時(shí)間。

　　圖3．使用監(jiān)測IC實(shí)現(xiàn)的對對電源系統(tǒng)時(shí)序控制時(shí)序

　　市面上可提供多種多樣的電源時(shí)序控制IC10。有一些器件具有能夠直接啟動電源模塊的輸出，并且可提供多種輸出配置。有些IC包含內(nèi)置電荷泵電壓產(chǎn)生器。這點(diǎn)對于需要對上行產(chǎn)生時(shí)序控制，但卻又欠缺高電壓源（例如，12 V電源）的低電壓系統(tǒng)特別有用，用以驅(qū)動N溝道FET柵極。許多這類器件也具有允許（enable）引腳，可以接受來自于按鈕開關(guān)或是控制器的外部信號，以便在需要時(shí)能夠重新啟動時(shí)序控制或者關(guān)斷所控制的電源。

　　4.集成的電源系統(tǒng)管理

　　有些系統(tǒng)具有許多電源，這類應(yīng)用對于需要使用大量IC和利用電阻器和電容器來設(shè)定延遲時(shí)間和閾值幅度的分立式作法而言，會變得過于復(fù)雜、耗費(fèi)成本，而且也無法提供適當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

　　圖4．一個用于八組供應(yīng)系統(tǒng)的集中式排序以及監(jiān)測解決方案

　　考慮一個具有八組電源，需要復(fù)雜電源啟動的時(shí)序控制系統(tǒng)。必須監(jiān)測每組電源，以免產(chǎn)生欠壓或過壓故障。當(dāng)產(chǎn)生故障時(shí)，根據(jù)故障機(jī)制，要么關(guān)斷所有電源電壓，要么初始化關(guān)斷電源時(shí)序。此外，必須根據(jù)控制信號的狀態(tài)采取執(zhí)行措施，并且必須根據(jù)電源的狀態(tài)產(chǎn)生標(biāo)志位。要利用分立器件和簡單的IC來完成如此復(fù)雜的電路，可能需要動用數(shù)以百計(jì)的單獨(dú)元件、占用很大的PCB面積以及便隨的大量成本。

　　在具有四組或更多電源系統(tǒng)中，使用一個集中式的器件來管理電源會是比較合理的作法。這個方法的一個例子可從圖4中看到。

　　5.集中式監(jiān)測和時(shí)序控制

　　ADM106x Super Sequencer?11超級時(shí)序控制器系列仍然使用比較器，但是有一些重要的不同點(diǎn)。每個輸入端都有兩個專用的比較器，以完成欠壓和過壓檢測，這樣便可對ADP182112和ADP2105 DC/DC變換器和ADP1715 LDO所產(chǎn)生的電壓提供區(qū)間監(jiān)測。欠壓故障是電源啟動之前的正常狀態(tài)，因此這個狀態(tài)為時(shí)序控制提供指示。過壓狀態(tài)通常表示一種嚴(yán)重故障——例如FET或電感器短路，所以必須立即行動。

　　系統(tǒng)具有電源數(shù)量越多通常也會越復(fù)雜，因而受精度限制越嚴(yán)格。另外，在低電壓狀態(tài)下（例如1.0V和0.9V）利用電阻器來設(shè)定精確的閾值也成為問題。雖然在5V電源上可以接受10%的容許誤差，但這個容許誤差對于1V電源來說不能接受。ADM1066在最壞情況下允許輸入檢測器比較器的閾值設(shè)定在 1%范圍內(nèi)，而與電壓值（低到0.6 V）無關(guān)，并且工作在該器件允許的整個溫度范圍，這可增加每個比較器的內(nèi)部尖峰毛刺濾波和延遲。它的邏輯輸入可以用來啟動電源上電順序、關(guān)閉所有的電源、或執(zhí)行其它的功能。

　　這些來自一組比較器并且送往功能強(qiáng)大和靈活的狀態(tài)機(jī)內(nèi)核的信息，可用于以下幾種用途：

　　時(shí)序控制：當(dāng)最近被允許的電源輸出電壓進(jìn)入到一個比較器區(qū)間內(nèi)，可觸發(fā)一個時(shí)間延遲以便按照啟動電源的時(shí)序開啟下一個電源。具有多重電源啟動和電源關(guān)閉時(shí)序，或是具有差異甚大的電源啟動和電源關(guān)閉時(shí)序的復(fù)雜時(shí)序控制都可以做到。

　　超時(shí)：假如一個已被允許的電源電壓并未按照預(yù)期上來，可以執(zhí)行一套適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)作業(yè)（例如產(chǎn)生一個中斷信號或關(guān)閉系統(tǒng)）。相對之下，純模擬的解決方案只會懸掛在時(shí)序中的那點(diǎn)上。

　　監(jiān)測：假如任一電源上的電壓超出了預(yù)設(shè)的區(qū)間，可以依據(jù)發(fā)生故障的電源、發(fā)生故障的類型和當(dāng)前的工作模式，執(zhí)行一套適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)作業(yè)。具有五組以上電源的系統(tǒng)通常都相當(dāng)昂貴，因此全面的故障保護(hù)是極為重要的。

　　6.電源調(diào)整

　　除了能夠監(jiān)測多組電源電壓以及提供復(fù)雜的時(shí)序控制解決方案之外，ADM1066這類集成電源管理器件，還可提供暫時(shí)性或是永久性調(diào)整個別電源電壓的工具。 DC/DC變換器或穩(wěn)壓器的電壓輸出，可以通過調(diào)整該器件上的調(diào)整節(jié)點(diǎn)或者反饋節(jié)點(diǎn)上的電壓來改變。一般來說，一個模塊中介于輸出與地線之間的電阻分壓器，會在調(diào)整引腳和反饋引腳之間設(shè)定一個標(biāo)稱電壓，從而設(shè)定出一標(biāo)稱輸出電壓。通過切換反饋回路中的額外電阻器或者控制可變電阻的簡單機(jī)制，便可改變調(diào)整電壓和反饋電壓，進(jìn)而調(diào)整輸出電壓。

　　ADM1066配備有數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），可以直接控制調(diào)整節(jié)點(diǎn)和反饋節(jié)點(diǎn)。為了得到最大的效率，這些DAC不會在地線與最大電壓之間工作，而是會以標(biāo)稱的調(diào)整電壓或反饋電壓為中心點(diǎn)，在一相當(dāng)窄的區(qū)間中工作。衰減電阻器的阻值會經(jīng)由DAC的每個LSB改變，來對電源模塊輸出的遞增變化產(chǎn)生比例縮減的效果。這種開環(huán)調(diào)節(jié)方式提供了提升邊限或者降低邊限的標(biāo)準(zhǔn)，相當(dāng)于那些利用參考電路中的數(shù)字電阻切換所獲得的結(jié)果，并且可以將輸出調(diào)整到類似的精度。ADM1066還包含一個用來測量電源電壓的12 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）， 以方便實(shí)現(xiàn)一個閉環(huán)電源電壓調(diào)節(jié)方法。通過給定的DAC輸出設(shè)定，電源模塊的電壓輸出可由ADC予以數(shù)字化，并用軟件方法與所設(shè)定的目標(biāo)電壓進(jìn)行比較。這樣，便可調(diào)整DAC來校正電壓輸出，使其盡可能接近目標(biāo)電壓。這個閉環(huán)調(diào)節(jié)方法提供了一個非常精確的方式來調(diào)整電源。使用了閉環(huán)方法，就與外部電阻的精確度完全無關(guān)。在圖4中，DC-DC4的輸出電壓便是利用其中一個內(nèi)置DAC來加以調(diào)整的。

　　這種電源調(diào)節(jié)方案有兩個主要用途，第一是電源容限的概念，也就是當(dāng)電源處于設(shè)備規(guī)定的電源電壓范圍的邊界值時(shí)，測試系統(tǒng)做出的反應(yīng)。要求數(shù)據(jù)通訊、電信、蜂窩電話基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)器、和儲存區(qū)域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等制造商在將他們的系統(tǒng)交給終端客戶之前必須嚴(yán)格測試。系統(tǒng)中的所有電源電壓都應(yīng)該在一定的容許誤差范圍內(nèi)工作（例如±5%、±10%）。電源容限特性允許所有的內(nèi)置電源電壓通過確保正確工作所做的測試，調(diào)整到容許誤差范圍的上限和下限。具有電源調(diào)整能力的集中式電源管理器件，便可以用來進(jìn)行這種電源容限測試，同時(shí)只需要完成一次測試所需的額外器件和PCB面積最小——在制造商的測試地點(diǎn)完成容限測試期間。四角區(qū)域測試——也就是通常需要在工作電壓和溫度范圍進(jìn)行測試，因此ADM106213除了具有閉環(huán)電源電壓容限檢測電路之外，還集成了溫度檢測和回讀功能。

　　電源調(diào)節(jié)方案的第二個用途是為了補(bǔ)償工作現(xiàn)場的系統(tǒng)電源電壓的波動。有許多的原因會造成電源電壓波動。就短期間而言，當(dāng)溫度改變時(shí)，電壓的輕微改變是十分常見的；就長期來說，某些器件的參數(shù)可能會隨產(chǎn)品的長期使用而產(chǎn)生輕微的漂移，這可能也會導(dǎo)致電源電壓的漂移。ADC以及DAC環(huán)路可以周期性地被啟動（例如每10，30，或60秒），再結(jié)合了軟件校正環(huán)路，便能夠?qū)㈦娫措妷罕３衷谄鋺?yīng)有的狀態(tài)。

　　7.使用靈活性

　　ADM1066具有內(nèi)置非易失存儲器，所以當(dāng)系統(tǒng)的時(shí)序與監(jiān)測需要在開發(fā)過程中逐步發(fā)展時(shí)，允許按照需求進(jìn)行多次重新編程。這意味著硬件設(shè)計(jì)可以在產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)的初期完成，而且監(jiān)測和時(shí)序的最優(yōu)化可以隨著項(xiàng)目的進(jìn)展來進(jìn)行。