詳解電源電壓軌監(jiān)控集成電源系統(tǒng)管理

簡介

電源設(shè)計(jì)人員正在使用靈活的電源監(jiān)控，排序和調(diào)整電路來管理他們的系統(tǒng)。本文討論了原因和方法。

多年來對越來越多的電源電壓軌的監(jiān)控對于電子系統(tǒng)的安全性，經(jīng)濟(jì)性，耐用性和正常運(yùn)行至關(guān)重要 - 尤其對于采用微處理器的系統(tǒng)。確定電壓軌是否高于閾值或在操作窗口內(nèi) - 以及該電壓是否以相對于其他軌道的正確順序通電或斷電 - 對于操作可靠性和安全性至關(guān)重要。

存在許多方法來解決該問題的各個方面。例如，可以使用使用精密電阻分壓器，比較器和參考的簡單電路來確定軌道上的電壓是高于還是低于某個水平。在復(fù)位發(fā)生器（例如ADM803）中，這些元件與延遲元件組合在一起，用于保存設(shè)備，如微處理器，專用IC（ASIC）和數(shù)字信號處理器（DSP）-in <上電時em> reset 。這種級別的監(jiān)控對于許多應(yīng)用來說都是足夠的。

在需要監(jiān)控多個電源軌的情況下，并聯(lián)使用多個設(shè)備（或多通道比較器及其相關(guān)電路），但增加機(jī)會要求監(jiān)控IC不僅僅是簡單的閾值比較。

例如，考慮電源排序的常見要求：FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）制造商可能會指定必須在5-VI / O之前20 ms施加3.3 V核心電壓（輸入/輸出）電壓，以避免設(shè)備通電時可能造成的損壞。滿足這樣的時序要求對于可靠性至關(guān)重要，因?yàn)閷⑵骷碾娫措妷汉蜏囟缺３衷谝?guī)定的工作范圍內(nèi)。

此外，許多應(yīng)用中的電源軌數(shù)量也大幅增加。復(fù)雜，昂貴的系統(tǒng)，例如LAN交換機(jī)和蜂窩基站，通常具有帶10個或更多電壓軌的線卡;但即使對成本敏感的消費(fèi)類系統(tǒng)，如等離子電視，也可能有多達(dá)15個獨(dú)立的電壓軌，其中許多可能需要監(jiān)控和排序。

現(xiàn)在許多高性能IC需要多個電壓。例如，單獨(dú)的核心和I / O電壓是許多設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。在高端，DSP可能每個設(shè)備最多需要四個獨(dú)立的電源。在許多情況下，許多多供電設(shè)備可以共存于一個包含F(xiàn)PGA，ASIC，DSP，微處理器和微控制器（以及模擬組件）的系統(tǒng)中。

許多設(shè)備共享標(biāo)準(zhǔn)電壓等級（如3.3） V），而其他可能需要特定于器件的電壓。另外，特定的標(biāo)準(zhǔn)電壓電平可能必須在許多地方獨(dú)立提供。例如，可能需要單獨(dú)的模擬和數(shù)字電源，例如3.3 V _ANALOG 和3.3 V _DIGITAL ?？赡苄枰啻紊上嗤碾妷阂蕴岣咝剩ɡ纾\(yùn)行在數(shù)百安培的存儲器軌）或滿足排序要求（3.3 V _A 和3.3 V _B 在不同的時間由不同的設(shè)備需要）。所有這些因素都會導(dǎo)致電壓源的擴(kuò)散。

電壓監(jiān)控和排序可能變得非常復(fù)雜，尤其是在系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)為支持上電序列，斷電序列以及對不同點(diǎn)上各個供電軌上所有可能故障條件的多個響應(yīng)時操作。中央電源管理控制器是解決此問題的最佳方法。

隨著電源電壓的增加，出現(xiàn)問題的可能性要高得多。風(fēng)險(xiǎn)與供應(yīng)數(shù)量，元素?cái)?shù)量和系統(tǒng)復(fù)雜性成比例增加。外部因素也增加了風(fēng)險(xiǎn)。例如，如果在初始設(shè)計(jì)時主ASIC沒有完全表征，則電源設(shè)計(jì)人員必須承諾硬連線電壓監(jiān)控閾值和時序，這些閾值和時序可能隨著ASIC規(guī)范的發(fā)展而變化。如果要求發(fā)生變化，可能需要修改PC板 - 具有明顯的進(jìn)度和成本影響。此外，某些器件的電源電壓規(guī)格可能會在開發(fā)過程中發(fā)生變化。在這種情況下，一種容易調(diào)整供應(yīng)的方法對任何中央電力系統(tǒng)管理者都是有用的。事實(shí)上，監(jiān)控，排序和調(diào)整此類系統(tǒng)的電壓軌的靈活性是至關(guān)重要的。

評估所選故障保護(hù)和時序的穩(wěn)健性可能是一項(xiàng)相當(dāng)大的工作，因此設(shè)備簡化此過程將加快電路板評估并縮短產(chǎn)品上市時間。故障記錄和數(shù)字化電壓和溫度數(shù)據(jù)是從早期PCB開發(fā)到原型評估的現(xiàn)場和設(shè)計(jì)的所有階段的有用功能。

基本監(jiān)測

圖1顯示了使用ADCMP354比較器和參考IC監(jiān)控多個電壓軌的簡單方法。每個軌道使用單獨(dú)的電路。電阻分壓器將電壓軌縮小，為每個電源設(shè)置欠壓跳變點(diǎn)。所有輸出連接在一起以生成共同的電源良好信號。

基本測序

圖2顯示了如何使用邏輯閾值而不是比較器，使用分立元件實(shí)現(xiàn)基本測序。其他地方生成了12 V和5 V電源軌。必須引入時間延遲以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。這是通過使用電阻 - 電容（RC）組合來緩慢地使n溝道FET上的柵極電壓與5V電源串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)的。選擇RC值以確保在FET達(dá)到其電壓閾值并開始導(dǎo)通之前有足夠的時間延遲。采用ADP3330和ADP3333低壓差（LDO）穩(wěn)壓器產(chǎn)生3.3V和1.8V電壓軌。這些電壓的導(dǎo)通時間也由RC排序。由于RC驅(qū)動每個LDO的關(guān)斷（/ SD）引腳，因此不需要串聯(lián)FET。選擇RC值以確保在電壓上有足夠的時間延遲（ t ₂ ， t ₃ ） / SD引腳超過其閾值。

這種簡單，低成本的電源排序方法占用的電路板面積很小，在許多應(yīng)用中都是完全可以接受的。它適用于成本是主要驅(qū)動因素，時序要求簡單且測序電路精度不高的系統(tǒng)。

但許多情況需要比RC滯后電路更高的精度。此外，這種簡單的解決方案不允許以結(jié)構(gòu)化方式處理故障（例如，5V電源故障最終會導(dǎo)致其他電壓軌損壞）。

使用IC進(jìn)行排序

圖3顯示了ADM6820和ADM1086電源排序IC如何用于在類似系統(tǒng)中準(zhǔn)確可靠地對電源軌進(jìn)行排序。內(nèi)部比較器檢測電壓軌何時超過精確設(shè)定的電平。輸出在可編程導(dǎo)通延遲后置位，使ADP3309和ADP3335調(diào)節(jié)器按所需順序啟用。閾值由阻力比確定;延遲由電容器確定。

提供各種電源排序IC。某些設(shè)備具有可用于直接啟用電源模塊的輸出，并且可提供多種輸出配置。其中一些包括板載電荷泵電壓發(fā)生器。這對于需要對上游產(chǎn)生但缺少高壓源（例如12 V軌）的軌道進(jìn)行排序以驅(qū)動 n - 通道FET柵極的低壓系統(tǒng)尤其有用。其中許多設(shè)備還具有啟用引腳，允許外部信號 - 來自按鈕開關(guān)或控制器 - 重新啟動序列或在需要時關(guān)閉受控導(dǎo)軌。

集成電源系統(tǒng)管理

有些系統(tǒng)有如此多的電源軌，使用大量IC的離散方法，以及使用電阻和電容設(shè)置時序和閾值電平變得過于復(fù)雜和昂貴，并且無法提供足夠的性能。

考慮一個具有八個電壓軌的系統(tǒng)，需要復(fù)雜的上電序列。必須監(jiān)控每個導(dǎo)軌的欠壓和過壓故障。在發(fā)生故障時，可以關(guān)閉所有電壓，或者可以啟動斷電序列，具體取決于故障機(jī)制。必須根據(jù)控制信號的狀態(tài)采取措施，并且必須根據(jù)電源的狀態(tài)生成標(biāo)志。使用分立器件和簡單IC實(shí)現(xiàn)這種復(fù)雜性的電路可能需要數(shù)百個獨(dú)立元件，大量的電路板空間以及顯著的組合成本。

在具有四個或更多電壓的系統(tǒng)中，它可能會感覺使用集中式設(shè)備來管理電源。圖4中可以看到這種方法的一個例子。

集中監(jiān)控和測序

ADM106x超級序列發(fā)生器^? 系列繼續(xù)使用比較器，但有一些重要的區(qū)別。兩個比較器專用于每個輸入，因此可以實(shí)現(xiàn)欠壓和過壓檢測，從而為ADP1821和ADP2105 DC-DC轉(zhuǎn)換器和ADP1715 LDO產(chǎn)生的電壓軌提供窗口監(jiān)控。欠壓故障是導(dǎo)軌上電前的正常情況，因此該指示用于排序。過壓條件通常表示存在嚴(yán)重故障 - 例如FET或電感短路 - 并要求立即采取措施。

具有較高電源數(shù)量的系統(tǒng)通常具有更高的復(fù)雜性，因此具有更嚴(yán)格的精度限制。此外，在較低的電壓（例如1.0 V和0.9 V）下，使用電阻設(shè)置精確的閾值會變得具有挑戰(zhàn)性。雖然在5 V電壓軌上可以接受10％的容差，但在1 V電壓軌上這種容差通常是不夠的。 ADM1066允許將輸入檢測器比較器閾值設(shè)置在1％的最差情況下，與電壓（低至0.6 V）無關(guān)，并且在器件的整個溫度范圍內(nèi)。它為每個比較器增加了內(nèi)部毛刺濾波和遲滯。其邏輯輸入可用于啟動上電序列，關(guān)閉所有電源軌或執(zhí)行其他功能。

來自比較器組的信息，可輸入功能強(qiáng)大且靈活的舞臺機(jī)器核心，可以可用于各種目的：

排序：當(dāng)輸出電壓為最近啟用的電源進(jìn)入窗口，可以觸發(fā)時間延遲以在上電序列中打開下一個電源軌。可以進(jìn)行復(fù)雜的測序，具有多個上電和斷電序列，或者用于上電和斷電的完全不同的序列。

超時：如果已啟用的導(dǎo)軌未按預(yù)期啟動，則可采取適當(dāng)?shù)拇胧ɡ缟芍袛嗷蜿P(guān)閉系統(tǒng)）。純模擬解決方案只會掛在序列中的那一點(diǎn)。

監(jiān)控：如果任何導(dǎo)軌上的電壓超出預(yù)設(shè)窗口，可采取適當(dāng)?shù)拇胧┤Q于發(fā)生故障的軌道，發(fā)生的故障類型以及當(dāng)前的運(yùn)行模式。具有五個以上電源的系統(tǒng)通常很昂貴，因此全面的故障保護(hù)至關(guān)重要。

板載電荷泵用于產(chǎn)生大約12 V的電源驅(qū)動器，即使最高可用系統(tǒng)電壓低至3 V，也允許輸出直接驅(qū)動串聯(lián) n - 通道FET。額外的輸出啟用或關(guān)閉DC-DC轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器，允許輸出在內(nèi)部上拉至其中一個輸入或板載穩(wěn)壓電壓。輸出也可以斷開漏極。輸出也可用作狀態(tài)信號，例如電源良好或電源開啟復(fù)位。如果需要，可以直接從輸出驅(qū)動狀態(tài)LED。

電源調(diào)整

除了監(jiān)控多個電壓軌并為復(fù)雜排序提供解決方案外，集成電源管理器件（如ADM1066）還提供臨時或永久調(diào)整各軌電壓的工具。通過調(diào)節(jié)該器件的微調(diào)或反饋節(jié)點(diǎn)處的電壓，可以改變DC-DC轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器的電壓輸出。通常，模塊的輸出和地之間的電阻分壓器在調(diào)整/反饋引腳處設(shè)置標(biāo)稱電壓。這反過來又設(shè)定了標(biāo)稱輸出電壓。涉及在反饋環(huán)路中切換額外電阻或控制可變電阻的簡單方案將改變調(diào)整/反饋電壓，從而調(diào)整輸出電壓。

ADM1066配備數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）至提供對修剪/反饋節(jié)點(diǎn)的直接控制。為了獲得最大效率，這些DAC不能在地和最大電壓之間工作;相反，它們在以標(biāo)稱修整/反饋水平為中心的相對窄的窗口上操作。衰減電阻的值隨著DAC的每次LSB變化而縮放功率模塊輸出的增量變化。這種開環(huán)調(diào)整提供了與參考電路中數(shù)字電阻切換相當(dāng)?shù)脑Ａ可仙驮Ａ肯陆惦娖剑⑤敵稣{(diào)整到類似的精度。

ADM1066還包括一個12用于測量電源電壓的位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），因此可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)電源調(diào)整方案。在給定的DAC輸出設(shè)置下，電源模塊的電壓輸出由ADC數(shù)字化，并與軟件中的目標(biāo)電壓進(jìn)行比較。然后可以調(diào)節(jié)DAC以盡可能接近地校準(zhǔn)電壓輸出到目標(biāo)電壓。這種閉環(huán)方案為供應(yīng)調(diào)整提供了非常準(zhǔn)確的方法。采用閉環(huán)方法，外部電阻的精度完全無關(guān)緊要。在圖4中，DC-DC4的輸出電壓由片內(nèi)DAC之一調(diào)整。

電源調(diào)整方案有兩個主要用途。第一個是余量電源的概念，即測試系統(tǒng)在設(shè)備指定電源電壓范圍的邊緣運(yùn)行其電源的響應(yīng)。數(shù)據(jù)通信，電信，蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，服務(wù)器和存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的制造商需要在向最終客戶發(fā)貨之前對其系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格測試。系統(tǒng)中的所有電源都將被指定以一定的容差運(yùn)行（例如，±5％，±10％）。裕度調(diào)節(jié)允許將板上的所有電源調(diào)整到公差范圍的高端和低端，并進(jìn)行測試以確保正確操作。具有電源調(diào)整功能的集中式電源管理器件可用于執(zhí)行此裕量測試，同時最大限度地減少在制造商的測試現(xiàn)場的裕量測試期間執(zhí)行僅需要一次的功能所需的額外組件和PCB區(qū)域的需求。

四個角落測試，即在設(shè)備的工作電壓和溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測試，通常是必需的，因此ADM1062除了閉環(huán)電源外，還集成了溫度感應(yīng)和回讀功能。電源裕量電路。

電源調(diào)整方案的第二個用途是補(bǔ)償現(xiàn)場的系統(tǒng)電源變化。這種變化有很多原因。短期來看，電壓隨溫度變化而略微變化是很常見的。從長期來看，某些元件值可能會在產(chǎn)品的整個使用壽命期間略微漂移，從而導(dǎo)致電壓漂移。 ADC和DAC環(huán)路可以定期激活（例如，每10,30或60秒），并與軟件校準(zhǔn)環(huán)路一起使用，以保持電壓位置。

靈活性

ADM1066具有板載非易失性存儲器，可根據(jù)需要對其進(jìn)行多次重新編程，同時系統(tǒng)的排序和監(jiān)控需求在開發(fā)過程中不斷發(fā)展。這意味著硬件設(shè)計(jì)可以在原型過程的早期完成，并且可以在項(xiàng)目進(jìn)展時完成監(jiān)控和排序的優(yōu)化。

數(shù)字溫度等功能 - 和電壓測量簡化并加快了評估過程。裕度調(diào)節(jié)工具將允許在開發(fā)周期期間調(diào)整電壓軌。因此，在關(guān)鍵的ASIC，F(xiàn)PGA或處理器也處于開發(fā)階段，并且隨著新的硅片修訂版本出廠時，電源電壓電平或時序要求處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可以通過軟件GUI進(jìn)行簡單的調(diào)整。因此，可以在幾分鐘內(nèi)對電源管理設(shè)備進(jìn)行重新編程，以便將更改考慮在內(nèi)，而無需物理更換電路板上的組件，或者更糟糕的是 - 重新設(shè)計(jì)硬件。

結(jié)論

越來越多的電壓軌和電源排序的出現(xiàn)增加了對各種設(shè)備和系統(tǒng)中電源設(shè)計(jì)人員的需求 - 包括筆記本電腦，機(jī)頂盒，和汽車系統(tǒng)，服務(wù)器和存儲，蜂窩基站以及互聯(lián)網(wǎng)路由和交換系統(tǒng)。更嚴(yán)格的測試程序，新的信息收集水平以及快速簡單的可編程性也令人感興趣，特別是在中高端系統(tǒng)中。為了提高穩(wěn)健性和可靠性，以及增加這些重要的新功能，有許多新的電源管理集成電路可以幫助安全，高效地解決這些問題，同時最小化電路板面積，同時縮短產(chǎn)品上市時間。