使用MAX16046系統(tǒng)管理IC進行排序

CPU、ASIC、FPGA 和存儲器等復雜器件通常需要電源排序。MAX16046為排序、監(jiān)視和電源裕量調節(jié)提供高度集成的方案。本應用筆記給出了使用具有特定時序要求的多個器件的示例系統(tǒng)，并提供了使用MAX16046的分步實現(xiàn)。

介紹

現(xiàn)代電子設備具有復雜的電源要求，涉及多個電壓軌。必須為 I/O 電壓供電;CPU、ASIC 和 FPGA 內核電壓;鎖相環(huán)電壓;和存儲器終止電壓。其他設備需要高電壓、高電流或低噪聲電源，用于無線電收發(fā)器、超聲波換能器以及LCD或等離子顯示器等應用。

使用多個電源的設計要求設計人員密切關注電源排序。每個電源軌必須按特定順序導通，以避免復雜多電壓IC中的正向偏置保護二極管。如果只是同時打開電源，IC可能會遇到可靠性問題甚至閂鎖。

除了電源排序之外，一些系統(tǒng)還實現(xiàn)了裕量調節(jié)。電壓裕度是一種控制電源電壓的方法，以充分利用所有容差的角度并確保系統(tǒng)可靠性。

Maxim提供多種電源管理解決方案。本應用筆記重點介紹MAX16046，它可對多達12個電源軌進行排序、監(jiān)視和裕量調節(jié)。

假設示例系統(tǒng)

以下假設系統(tǒng)將作為整個應用筆記的示例。該系統(tǒng)是帶有MPC8548處理器和Virtex? 5 FPGA的通用板。表1顯示了為設計選擇的復雜IC所需的各種電壓。

表 1.電源電壓要求

處理器和FPGA指定特定的時序順序，以防止內部ESD二極管長時間正向偏置。大型多電壓IC的順序通常是靈活的，但最好遵循制造商的首選順序。

MPC8548使用以下順序：

VDD

AVDD_n, BVDD, LVDD, OVDD, SVDD, TVDD, XVDD

GVDD

Virtex 5 使用以下序列順序：

VCCAUX

VCCO

每個器件為每個電源軌指定 50ms 的最大上電時間。Virtex 5還要求電源軌的啟動速度不超過0.2ms。

圖1中的框圖有效地實現(xiàn)了電路的發(fā)電需求。

圖1.電源框圖。

由于 3.3V DC-DC 轉換器為所有下游負載點 DC-DC 轉換器供電，因此需要在 10.3V 時提供至少 3A 的電流。n溝道MOSFET保持用于IO電壓的3.3V電源軌。0.9V LDO 提供 V電傳用于 1.8V DDR2-SDRAM 內存。

現(xiàn)在實驗系統(tǒng)的時序和監(jiān)測要求已經(jīng)確定，MAX16046可以用來實現(xiàn)這些要求。

利用MAX16046實現(xiàn)監(jiān)視、排序和裕量調節(jié)

硬件配置

如上所述，MAX16046可監(jiān)視多達12個電源軌、時序和裕量。監(jiān)控閾值、序列順序、裕量參數(shù)和其他配置值存儲在器件的內部EEPROM中。實時監(jiān)控數(shù)據(jù)可以通過SMBus?或JTAG接口讀取，這有助于在開發(fā)過程中檢查排序順序。

如果在工作期間發(fā)生電源故障，MAX16046可以自動關斷電源并置位可配置故障輸出。該器件還可以配置為在內部EEPROM中存儲有關故障的信息，包括電源軌電壓和通道狀態(tài)，以供以后分析。此功能為分析在現(xiàn)場出現(xiàn)故障但在故障實驗室中似乎正常工作的電路板提供了一個有用的工具。一旦發(fā)生故障，EEPROM將被鎖定，因此后續(xù)故障不會覆蓋存儲的故障數(shù)據(jù)。

圖2中的部分原理圖顯示了MAX16046在圖1所示電源架構中的連接。MAX16046控制每個電源的使能輸入并監(jiān)視輸出。該器件還控制串聯(lián)調整 MOSFET，用于保持 3.3V I/O 電源軌。MAX16046的DAC輸出連接到多個電源的反饋節(jié)點，以實現(xiàn)裕量調節(jié)功能。

圖2.MAX16046的部分原理圖

圖3給出了MAX16046周圍電路的更詳細原理圖，包括電源連接和在線編程連接。/SYSTEM_RESET信號運行至MPC8548和Virtex 5的復位輸入。預警信號可以警告MPC8548開始干凈關斷和軟關機;關鍵故障信號可以運行到控制3.3V電源的鎖存器，在關鍵過壓事件時將其關閉。（FAULT2是完全可編程的，但在此應用中設置為過壓）。看門狗定時器輸入WDI連接到MPC8548，以便在MPC16046無法切換WDI時，MAX8548可以SYSTEM_RESET置位。在制造或原型評估期間，/MARGINUP# 和/MARGINDN# 運行到測試點 TP1 和 TP2，以進行裕量調節(jié)。

圖3.詳細的MAX16046原理圖

在本例中，在線編程是通過JTAG連接完成的。SDA和SCL運行至MPC8548，因此它可以查詢MAX16046以獲取故障信息或實時電壓測量。應用筆記4285“MAX16046–MAX16049 EEPROM可編程系統(tǒng)管理器的在線編程”詳細介紹了在線編程。

當EN電壓超過16046.0V （典型值）時，MAX525開始對電源進行排序;當電壓降至0.5V （典型值）以下時，它將對電源進行反向排序。至關重要的是，12V電源的輸出端必須有足夠的大容量電容，以確保反向排序成功完成。門限設置為11.7V，以提供足夠的儲能電容電壓來實現(xiàn)此電壓。也可以通過SMBus或JTAG控制電源，以實現(xiàn)軟關斷應用。

與V串聯(lián)的二極管抄送允許電容器在 V抄送在故障條件下為MAX16046供電。故障保存操作需要長達204ms的時間，將故障數(shù)據(jù)寫入MAX16046的非易失性EEPROM。MAX16046數(shù)據(jù)資料中的公式（如下所示）得出的最小電容值為157μF：

上電排序完成后，MAX16046解除SYSTEM_RESET，從而允許處理器和FPGA初始化并開始正常工作。

軟件配置

MAX16046組態(tài)軟件提供了一種方便的配置參數(shù)輸入方式，無需研究寄存器映射或進行無休止的計算。在我們的電路板中配置MAX16046分幾個步驟完成。

步驟 1 在配置軟件設置選項卡中輸入電源信息。（請參閱圖 4。）

圖 4.MAX16046配置軟件設置卡舌，輸入?yún)?shù)。

每個電源在電子表格樣式的數(shù)據(jù)表中由一行表示。1.8V DDR2 電源是雙輸出電源，因此在該行中添加了一個“子項”來表示第二個監(jiān)控輸入。單擊該行，然后單擊“添加子項”以添加該電源的額外監(jiān)視通道。

欠壓和過壓直接以百分比形式輸入。點擊寫入寄存器后，軟件自動計算要加載到MAX16046中的寄存器值。

裕量參數(shù)是使用余量計算器輸入的，如圖 5 所示。裕量計算器將自動計算電壓范圍，給定電源的參考電壓和三個電阻值;它將確定裕量增大電壓和裕量減小電壓所需的寄存器值。

圖5.帶3.3V電源軌參數(shù)的裕量計算器。

步驟 2
啟動排序選項卡，以便確定序列順序。圖6顯示了我們電路的序列順序。使用鼠標光標將電壓軌拖動到適當?shù)捻樞?。每個邊欄之間的延遲是通過單擊頂行帶下劃線的藍色鏈接來設置的。延遲根據(jù)表2設定。

表 2.插槽延遲

圖 6.序列配置。

步驟 3
啟動雜項選項卡以設置可編程故障輸出、看門狗定時器和各種其他參數(shù)。圖 7 顯示了雜項參數(shù)的選項卡。

圖 7.其他配置參數(shù)。

GPIO1 的任何故障 PP 配置將導致它在發(fā)生排序錯誤或 FAULT1 或 FAULT2 條件為真時斷言（推送拉?。?。該信號被發(fā)送到MPC8548輸入，該輸入表示發(fā)生了故障情況。MPC8548可以通過SMBus查詢MAX16046以確定故障原因。

GPIO2 的故障 6 PP 配置將導致它在發(fā)生嚴重過壓故障時置位（推挽）。GPIO6可以連接到切斷電路板電源以防止損壞的電路。GPIO6 將根據(jù) FAULT2 列中的復選框進行斷言。

GPIO4配置為閉環(huán)跟蹤（INS4），因為該通道用于阻斷3.3V IO軌。95% 的電源良好閾值意味著當串聯(lián)調整 MOSFET 源上的電壓超過漏極電壓的 95% 時，該電源軌將變?yōu)殡娫淳途w。

復位超時設置為 200ms。在所有電源軌達到電源就緒狀態(tài)并且 200ms 過后，SYSTEM_RESET將變?yōu)楦唠娖?，使處理器?FPGA 免于復位。

看門狗定時器配置為SYSTEM_RESET解除置言后的 25.6 秒初始啟動延遲。此延遲使MPC8548有時間在切換WDI之前完成啟動例程。相關意味著初始啟動延遲從上電序列結束時開始測量。

其他定時器參數(shù)包括 3.3V IO （400V/s） 的壓擺率控制;1600ms自動重試延遲，使MAX16046在上電序列嘗試失敗后等待1.6秒，然后再試一次;以及故障啟動定時器/故障下垂定時器，允許每個電源軌在反向排序期間在閾值內上升或下降 25ms。

設置完所有配置參數(shù)后，可以將數(shù)據(jù)保存到文件中以進行批量編程或保存到版本控制系統(tǒng)中。MAX16046組態(tài)軟件可以為JTAG編程工具生成SVF文件。

將配置文件加載到組裝的目標板后，可以使用配置軟件的監(jiān)控選項卡來幫助進行原型評估。監(jiān)視選項卡使用MAX16046的ADC提供每個電源的供電軌電壓的實時圖表。圖形的采樣速率太慢，無法觀察序列順序，但可以檢查電壓。

圖 8.顯示排序的電壓監(jiān)控屏幕。

圖8顯示了我們電路中電壓的屏幕截圖。圖9顯示了一張標有電壓軌的復合示波器照片。閉環(huán)跟蹤壓擺率可在3.3V IO電源軌上觀察到。

圖 9.測序范圍照片。

可以檢查示波器照片，并與MAX16046配置軟件配置的順序和時序進行比較;它也可以與原始測序要求相匹配。在這種情況下，測量的序列順序與上一節(jié)規(guī)范中給出的要求相匹配。

裕量可以通過將兩個測試點TP1和TP2中的任何一個接地來評估，這會導致所有電源上升和下降到預定值。電源軌電壓可以使用MAX16046或單獨的電壓表測量。

結論

MAX16046提供了一種在復雜的多電源系統(tǒng)中實現(xiàn)排序、裕量調節(jié)和監(jiān)視的簡單方法。MAX16046配置軟件簡化了容差和順序的配置。

審核編輯：郭婷