如何實(shí)現(xiàn)電源啟動(dòng)和關(guān)閉的序列

微處理器，FPGA，DSP，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和片上系統(tǒng)（SoC）器件通常從多個(gè)電壓軌運(yùn)行。為了防止鎖定，總線爭用問題和高浪涌電流，設(shè)計(jì)人員需要按特定順序啟動(dòng)和關(guān)閉這些電源軌。這是一個(gè)稱為電源序列控制或電源排序的過程，有許多解決方案可以有效地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

需要電壓排序的復(fù)雜器件可能具有用于內(nèi)核和模擬模塊的電壓軌。需要在數(shù)字I/O軌道之前上電。有些設(shè)計(jì)可能需要不同的序列，但無論如何，需要正確的上電和斷電排序以避免問題。

出現(xiàn)的各種電源定序器，監(jiān)視器和監(jiān)控器可提供有效的斜坡up和shutdown也采用了監(jiān)測(cè)電壓和電流水平的技術(shù)來計(jì)算功率水平，以保護(hù)復(fù)雜的集成電路和子組件。

本文將解釋電源排序的細(xì)節(jié)，討論電源序列規(guī)范和技術(shù)，以及如何應(yīng)用電源定序器來實(shí)現(xiàn)指定的電源軌定時(shí)和排序。

為什么擔(dān)心電源排序？

FPGA和類似的復(fù)雜IC在內(nèi)部分解為許多電源域。在啟動(dòng)或關(guān)閉設(shè)備時(shí)，大多數(shù)這些IC都需要特定的訂單。例如，F(xiàn)PGA通常分別為核心邏輯，I/O和輔助電路供電。

核心通常包括FPGA的處理器和邏輯基礎(chǔ)。該域的特征在于低電壓和高電流功率分布。由于電壓極低，因此具有非常高的精度要求，并且由于數(shù)字負(fù)載的動(dòng)態(tài)特性，瞬態(tài)性能必須非常好。 I/O代表FPGA的各種輸入和輸出。電壓要求取決于接口類型。通常，電壓電平將大于核心的電壓電平。電流需求取決于I/O的類型，數(shù)量和速度。

輔助電路包括FPGA中的噪聲敏感模擬電路，如鎖相環(huán)（PLL）和其他模擬電路元素。電流要求相當(dāng)?shù)停y波電壓是一個(gè)主要問題，必須盡量減少。模擬部分中的紋波可能導(dǎo)致PLL中過多的抖動(dòng)和相位噪聲，以及放大器中的寄生響應(yīng)。

以錯(cuò)誤的順序啟動(dòng)每個(gè)域的電源可能會(huì)導(dǎo)致問題，并可能導(dǎo)致?lián)p壞FPGA?？紤]I/O部分基于在三態(tài)總線上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 I/O控制由核心處理。如果I/O域在內(nèi)核之前上電，則I/O引腳以不確定狀態(tài)結(jié)束。如果外部總線組件通電，則可能存在總線爭用，導(dǎo)致I/O驅(qū)動(dòng)器中出現(xiàn)大電流。因此，核心應(yīng)該在I/O域之前啟動(dòng)。請(qǐng)務(wù)必參考供應(yīng)商的FPGA規(guī)范，了解推薦的電源應(yīng)用和關(guān)斷順序，以及電源軌之間的最大差分電壓。

同樣，功率運(yùn)算放大器等設(shè)備也有兩種功率域：模擬域和數(shù)字域。數(shù)字域?yàn)榉糯笃鞯脑\斷狀態(tài)標(biāo)志供電，用于過溫和過流狀態(tài)。數(shù)字域還支持放大器啟用/關(guān)閉功能。器件規(guī)范要求在模擬電源之前對(duì)數(shù)字域進(jìn)行上電，以便在模擬域上電之前這些狀態(tài)標(biāo)志有效。這是為了防止可能對(duì)設(shè)備造成損壞。

電源序列方法

有三種常見類型的多軌測(cè)序（圖1）。最常見的是順序，其中首先打開一個(gè)電源軌，然后在下一個(gè)電源軌打開之前延遲。設(shè)置延遲時(shí)，第一個(gè)軌道在第二個(gè)軌道啟動(dòng)前達(dá)到調(diào)節(jié)。

圖1：三種電源排序技術(shù)。無論使用何種技術(shù)，電壓必須單調(diào)上升。如果失敗，由于啟動(dòng)期間電壓意外下降，設(shè)備可能無法正確初始化。 （圖像來源：Digi-Key Electronics）

第二種測(cè)序技術(shù)是比例式的。在這種技術(shù)中，導(dǎo)軌同時(shí)啟動(dòng)并同時(shí)達(dá)到其額定電壓。這要求導(dǎo)軌的上升時(shí)間與導(dǎo)軌電壓成正比，以便同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

某些器件可能無法承受在達(dá)到調(diào)節(jié)之前發(fā)生的瞬時(shí)電壓差。在此期間，它可能導(dǎo)致器件從一個(gè)電源吸收更高的電流。

第三種方法，即同時(shí)啟動(dòng)，最大限度地減小電壓的瞬時(shí)差異。該技術(shù)減少了這些應(yīng)力的規(guī)模和周期。實(shí)現(xiàn)這種方法的一種常用方法是同時(shí)上電，其中電壓軌以相同的速率上升，較高的電壓軌（通常是I/O電壓軌）在較低或核心電壓軌達(dá)到其最終電壓軌之后繼續(xù)

無論采用何種技術(shù)，電壓都必須單調(diào)上升。如果失敗，由于啟動(dòng)期間電壓意外下降，設(shè)備可能無法正確初始化。

此外，可以應(yīng)用軟啟動(dòng)來限制啟動(dòng)期間的浪涌電流。這種做法限制了啟動(dòng)期間的電流，允許在啟動(dòng)時(shí)逐漸對(duì)電源軌的電容充電。

通常指定電源關(guān)閉以與啟動(dòng)相反的順序發(fā)生。

選擇使用的啟動(dòng)或關(guān)閉技術(shù)取決于設(shè)備的規(guī)格。

電源排序示例

同時(shí)啟動(dòng)相對(duì)容易設(shè)置。最高電壓輸出連接到較低電壓調(diào)節(jié)器的輸入（圖2）。

圖2：同時(shí)啟動(dòng)通過菊花鏈連接調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)5伏和3.3伏電源。 （圖片來源：Digi-Key Electronics）

在此示例中，較高的電壓是5伏電源。這也被送入3.3伏穩(wěn)壓器。顯示5伏和3.3伏輸出，它們同時(shí)上升，最小電壓差達(dá)到3.3伏電源的調(diào)節(jié)點(diǎn)。

順序技術(shù)最好使用定序器集成電路，如德州儀器的LM3880。 LM3880是一款簡單的電源序列發(fā)生器，可以通過其使能輸入控制多個(gè)獨(dú)立的穩(wěn)壓器或電源。

LM3880在使能時(shí)會(huì)依次釋放其三個(gè)輸出標(biāo)志，并在標(biāo)志之間有單獨(dú)的時(shí)間延遲。這將允許連接的電源啟動(dòng)。在關(guān)閉期間，輸出標(biāo)志將遵循相反的順序。使用德州儀器（TI）的WEBENCH Power Designer軟件（圖3）顯示了使用LM3880的設(shè)計(jì)實(shí)例。這個(gè)免費(fèi)的軟件工具可以幫助工程師設(shè)計(jì)與電源相關(guān)的電路，提供原理圖，材料清單和模擬結(jié)果。該圖顯示了原理圖和圖表，使能和三個(gè)標(biāo)志輸出。

LM3880中的延遲時(shí)間和順序順序是固定的，但可以使用內(nèi)置EPROM進(jìn)行工廠定制。德州儀器（TI）還在LM3881定序器中提供電容可編程延遲。

圖3：用于LM3880設(shè)計(jì)原理圖和圖表的德州儀器（TI）WEBENCH Power Designer顯示器用于控制外部穩(wěn)壓器或電源的使能輸入和輸出標(biāo)志。 （圖像來源：Digi-Key Electronics）

ADI公司的LTC2937定序器/電壓監(jiān)控器是一種稍微復(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可以控制多達(dá)六個(gè)電源的序列，同時(shí)還可以監(jiān)控電源軌電壓。可以通過單根線同步多個(gè)設(shè)備，以控制多達(dá)300個(gè)電源。 （圖像來源：ADI公司）

除了對(duì)多達(dá)六個(gè)電源軌進(jìn)行排序外，它還可監(jiān)控這些電源軌上的電壓，以檢測(cè)過壓，欠壓，斷電和失速的電源啟動(dòng)。如果發(fā)生故障，可以對(duì)器件進(jìn)行編程以關(guān)閉或重啟電源。錯(cuò)誤條件記錄到內(nèi)部EEPROM。 LTC2937可通過I 2 C或SMBus進(jìn)行編程和控制。 ADI公司的LTpowerPlay GUI軟件支持編程。 EEPROM允許無需軟件即可自主運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)需要六個(gè)以上的電源軌時(shí)，可以將多個(gè)LTC2937鏈接在一起以控制多達(dá)300個(gè)電源。

對(duì)于復(fù)雜的多核處理器，F(xiàn)PGA和其他SOC器件，德州儀器提供TPS650860可配置多個(gè) - 電源管理單元。這款單芯片輸入電壓范圍為5.6至21伏，包含三個(gè)降壓控制器，三個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，一個(gè)吸收或源低壓差（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：德州儀器（TI）TPS650860的功能框圖顯示了13個(gè)穩(wěn)壓輸出，可完全控制其排序。 （圖像來源：德州儀器）

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

降壓轉(zhuǎn)換器包括內(nèi)置功率級(jí)，降壓控制器需要外部功率級(jí)。轉(zhuǎn)換器和控制器都集成了電壓檢測(cè)輸入，用于監(jiān)控電源輸出，可以控制排序。負(fù)載開關(guān)包括轉(zhuǎn)換速率控制，允許編程與這些開關(guān)相關(guān)的軌道，用于三種順序類型中的任何一種，順序，比例或同時(shí)。

TPS650860通過I 2控制 C接口允許通過嵌入式控制器或相關(guān)的SoC管理器進(jìn)行簡單控制。該電源管理IC具有領(lǐng)先的控制靈活性。

結(jié)論

有多種方法可以控制電源啟動(dòng)或關(guān)閉的順序，從非常簡單到非常復(fù)雜。它們的軌道數(shù)量，精度和控制功能范圍以及成本都有所不同。