時序控製和跟蹤器件可以監控和控製多個電源軌
，其功能可能包括設置開啟時間和電壓上升速率、欠壓和過壓故障檢測、餘量微調（在標稱電壓值的一定範圍內調整電源電壓）以及有序關斷。適合這些應用的IC種類眾多，簡單的如利用電阻、電容和比較器構成的純模擬器件，複雜的如高集成度狀態機和通過 I2C bus.總線進行數字控製的可編程器件。某些情況下，係統的電壓調節器和控製器可能包括關鍵控製功能.

 

對(dui)於(yu)采(cai)用(yong)多(duo)個(ge)開(kai)關(guan)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)調(tiao)節(jie)器(qi)的(de)係(xi)統(tong)
，還(hai)有(you)一(yi)個(ge)考(kao)慮(lv)是(shi)器(qi)件(jian)以(yi)不(bu)同(tong)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)工(gong)作(zuo)時(shi)，如(ru)何(he)將(jiang)產(chan)生(sheng)的(de)係(xi)統(tong)噪(zao)聲(sheng)降(jiang)至(zhi)最(zui)低(di)。常(chang)常(chang)需(xu)要(yao)同(tong)步(bu)調(tiao)節(jie)器(qi)的(de)時(shi)鍾(zhong)，事(shi)實(shi)上(shang)，如(ru)今(jin)的(de)許(xu)多(duo)高(gao)性(xing)能(neng)開(kai)關(guan)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)調(tiao)節(jie)器(qi)都(dou)可(ke)以(yi)與(yu)外(wai)部(bu)時(shi)鍾(zhong)同(tong)步(bu)。

 

圖1. 電源軌的控製類型

 

電源時序控製和跟蹤

 

所(suo)謂(wei)電(dian)源(yuan)時(shi)序(xu)控(kong)製(zhi)
，是(shi)指(zhi)以(yi)指(zhi)定(ding)順(shun)序(xu)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)。電(dian)源(yuan)時(shi)序(xu)控(kong)製(zhi)可(ke)以(yi)簡(jian)單(dan)地(di)基(ji)於(yu)既(ji)定(ding)的(de)時(shi)間(jian)順(shun)序(xu)
，或(huo)者(zhe)一(yi)個(ge)電(dian)源(yuan)的(de)開(kai)啟(qi)時(shi)間(jian)取(qu)決(jue)於(yu)另(ling)一(yi)個(ge)電(dian)源(yuan)何(he)時(shi)達(da)到(dao)設(she)定(ding)的(de)閾(yu)值(zhi)。電(dian)源(yuan)跟(gen)蹤(zong)基(ji)於(yu)這(zhe)樣(yang)一(yi)個(ge)事(shi)實(shi)：電源電壓無法（一般也不應）瞬間改變。電源係統設計師可以利用這一特性
，有效地控製係統中各電源相對於其它電源的斜率。電源跟蹤分為三類：同步、比率和偏移。圖1中的四幅圖對時序控製
、同步跟蹤、比率跟蹤和偏移跟蹤進行了比較。

 

圖1a中
，三個電源按一定的時間順序開啟和關閉。首先是3.3 V電dian源yuan開kai啟qi，後hou續xu電dian源yuan的de開kai啟qi和he關guan閉bi延yan遲chi時shi間jian取qu決jue於yu應ying用yong的de需xu要yao。如ru果guo額e定ding最zui大da值zhi要yao求qiu電dian源yuan按an一yi定ding的de順shun序xu激ji活huo，這zhe種zhong簡jian單dan的de時shi序xu控kong製zhi技ji術shu將jiang能neng確que保bao有you源yuan器qi件jian的de電dian壓ya不bu會hui超chao過guo額e定ding最zui大da值zhi。舉ju例li來lai說shuo，在zaiADC驅動的放大器上電之前，我們必須保證ADC的電源存在
，否則可能損壞ADC的前端。

 

圖1b顯xian示shi同tong步bu跟gen蹤zong情qing況kuang，所suo有you三san個ge電dian源yuan同tong時shi開kai啟qi
，並bing且qie以yi相xiang同tong的de速su率lv彼bi此ci跟gen蹤zong

，因yin此ci最zui低di電dian源yuan電dian壓ya首shou先xian建jian立li，然ran後hou是shi較jiao高gao的de電dian源yuan電dian壓ya。電dian源yuan關guan斷duan以yi相xiang反fan的de方fang式shi進jin行xing。這zhe個ge例li子zi很hen好hao地di說shuo明ming了le舊jiu式shiFPGA或微處理器應用中電源是如何接通的：首先激活較低的內核電壓，然後接通輔助或I/O電源。稍後將以Xilinx Virtex-5 FPGA的同步跟蹤舉例說明。

 

圖1c中，電源以不同的斜率上電。如前所述，能夠對電源的斜率dV/dt進行控製是一個非常有用的特性，它可以防止電路中去耦電容的大浪湧電流（充電電流）損壞器件。如果不加限製的話
，浪湧電流可能大大超過標稱工作電流。斜率限製可以防止有源器件閂鎖
、電容短路、PCB走線受損以及線路保險絲熔斷。

 

圖1d中，所有電源具有相同的斜率
，但其施加時間由預定的失調電壓決定。此類跟蹤適用於需要限製電源電壓差（常常出現在DAC和ADC等混合信號器件的額定最大值部分）的器件，這種方法可以防止器件永久性受損。

 

基於FPGA的設計示例

 

使用FPGA係統的供電是探討多電源係統處理的活教材。適當的FPGA電源控製對於實現可靠、可重複的設計至關重要，否則可能會在實驗室甚至現場引發災難性故障。大多數FPGA具有多個電源軌，一般表示為 VCCO, VCCAUX,和 VCCINT.這些電源分別用於為FPGA內核、輔助電路（如時鍾和PLL等）、接口邏輯供電.

 

這些電源軌需要考慮的事項可以分為如下幾類:

 

● 電源軌的時序控製

● 電源軌電壓的容差要求

● 電源可能有軟啟動或斜率控製需求

 

下麵以Xilinx Virtex-5係列FPGA的電源要求為例來說明，該係列提供許多特性

，包括邏輯可編程能力、信號處理和時鍾管理。根據數據手冊，Virtex-5的電源上電順序要求為 VCCINT, VCCAUX,和 VCCO.這些電源相對於地的斜坡時間為200 μs（最小值）至50 ms（最大值）。建議工作條件如表1所示。

 

表1. Xilinx Virtex-5電源軌要求

 

如前所述
，Virtex-5要求同步電壓跟蹤。此外
，電源必須在特定的建議工作容差範圍內，而且必須在特定的dV/dt範圍內上升和下降.dV/dt.

 

但是，FPGA隻是一個較大係統的一部分。為了進一步闡明本例，假設有一個高電流、5 V主係統電源軌。為FPGA內核供電的1 V電源具有±5% (±50 mV)的容差
，需要提供最高4 A的電流。3 V電源為通用邏輯電源，具有±5%的容差，在本例中需要提供4 A電流以便為FPGA I/O和設計中的其它邏輯器件供電。2.5 V電源為模擬電源，需要提供低噪聲的100 mA電流.

 

針對此應用，利用雙通道降壓控製器ADP1850 提供1 V和3 V高電流電源是一個很好的解決方案。ADP1850具有許多特性，其中包括：軟啟動控製、同步跟蹤以及主從電源時序控製。上電時的上升速率由SS1和SS2引腳上的電容控製。本例中，3 V數字電源是主電源。針對2.5 V模擬電源
，超低噪聲 低壓差調節器(LDO)ADP150 是絕佳選擇，它可以利用ADP1850的PGOOD2信號進行時序控製。圖2為該係統的簡化框圖
，顯示了時序控製的一般流程，詳情參見ADP1850數據手冊。

 

圖2. Virtex-5的電源係統

 

上例說明了時序控製和跟蹤的常見使用方式，可以將其擴展到當今的許多多電源係統，包括基於微處理器的係統和涉及混合信號技術（ADC和DAC）的係統。

 

模擬電壓和電流監控(ADM1191)

 

針對要求精密監控多個係統電源電流和電壓的高可靠性應用
，可以使用簡單易行的模擬監控電路。例如
， 數字電源監控器 ADM1191 提供1%的測量精度，包括一個用於電流和電壓回讀的12位ADC、一個精密電流檢測放大器以及一路用於提供過流中斷的ALERTB輸出。圖3顯示了ADM1191結合一個主控製器（如微處理器或微控製器等）的應用。

 

圖3. 簡單的電源電壓和電流監控器

 

ADM1191通過I2C 總線與主控製器通信。通過配置A0和A1引腳的邏輯輸入電平
，同一係統最多可以支持16個器件的尋址。本地控製器可以將測得的電壓與電流相乘，從而計算電源軌的功耗。發生過流狀況時，ALERTB信號通過一個中斷快速通知控製器，這個關於故障狀況的快速報警可以幫助保護係統免遭損壞。

 

時序控製和監控的結合

 

大型固定係統
，甚至某些高性能插卡，具有許多需要控製和監控的電源軌。圖4涉及到一個具有8個電源軌的複雜電源係統的控製。係統的核心是ADM1066, 它是一款靈活的高集成度超級電源時序控製器Super Sequencer®可提供完整的電源控製功能，特性包括時序控製、監控、餘量微調和編程能力。ADM106x係列中的其它器件還具有溫度監控和看門狗功能。

 

圖4. 8軌電源係統的控製

 

8軌係統具有三個主電源軌：12 V、5 V和3 V。其它電源軌則是利用開關調節器和LDO從這些主電源軌產生。每個調節器具有一路使能輸入，它由ADM1066的10路可編程驅動器(PD)輸出之一驅動，因此用戶可以按照一定的受控順序使所有電源軌上電。ADM1066具有一個片上電荷泵，可以提升6路PD輸出電壓以提供外部N-MOSFET的高驅動電壓；當需要控製更高電壓的電源時，外部N-MOSFET用作電源軌開關。

 

ADM1066具有片上EEPROM，用以存儲電源係統控製參數。ADI公司的實用程序 weiqijianpeizhitigonglebianli

，dadajianhualeshangdianheyunxingrenwu，xiaochulefeishidedaimakaifagongzuo。dangxitongjinyibufazhan
，yijiyouxinqijianjiarushejishi，keyiqingsongtiaozhengdianyuanxulie。shixucanshuhedianyatiaobiandianhenrongyizhongxinbiancheng。zhegegongnengfeichangyouyong
，keyijieshengkaifashijian，jiangdidianlubankaifakenengyanwudefengxian

 

數字輸出信號——PWRGD（電源良好）
、VALID和SYSRST（係統恢複）——由ADM1066在輪詢時產生
，或者通過中斷/數shu字zi輸shu入ru提ti供gong
，以yi便bian將jiang電dian源yuan係xi統tong的de狀zhuang態tai告gao知zhi係xi統tong微wei控kong製zhi器qi，從cong而er在zai發fa生sheng故gu障zhang時shi能neng夠gou采cai取qu措cuo施shi。這zhe種zhong快kuai速su通tong知zhi可ke以yi防fang止zhi電dian容rong短duan路lu和he其qi它ta危wei險xian狀zhuang況kuang引yin發fa災zai難nan性xing損sun害hai。PWR_ON和/RESET是從係統控製器到ADM1066的數字輸入，用以形成完整的係統控製環路。

 

利用ADM1066進行電源餘量微調

 

在係統開發期間
，當設計工程師需要調整電源電壓以優化其電平或使其偏離標稱值時，可以使用ADM1066的片內DAC來lai執zhi行xing電dian源yuan餘yu量liang微wei調tiao。利li用yong這zhe種zhong餘yu量liang微wei調tiao特te性xing，可ke以yi在zai電dian源yuan限xian製zhi範fan圍wei內nei對dui係xi統tong進jin行xing全quan麵mian特te性xing測ce試shi
，而er不bu需xu要yao使shi用yong外wai部bu儀yi器qi。該gai功gong能neng通tong常chang是shi在zai在zai線xian測ce試shi(ICT)期間執行

，例如：當製造商希望保證受測產品能夠在標稱電源電壓±5%的範圍內正常工作時。基於圖4所示的電路
，用戶可以在許多電源軌上實現餘量微調。

 

開環電源餘量微調

 

對DC/DC轉換器或LDO等電源進行餘量微調的最簡單方法，是將額外電阻切換到電源模塊的反饋節點中，以改變反饋或調整節點的電壓，從而利用DAC迫使輸出電壓上調或下調所需的幅度。采用這種衰減器（圖5）時，可以通過SMBus更新相關DAC輸出的值

，從而遠程命令ADM11066執行電源餘量微調。該過程可以利用獨立於係統控製環路的開環技術實現。

 

圖5. 開環餘量微調

 

ADM1066最多可以為6個電源執行開環餘量微調，它利用6個片上電壓輸出DAC（DAC1至DAC6）驅動要微調的電源模塊的反饋引腳。實現這一功能的最簡單電路是利用一個衰減電阻(R3)
，將DACx引腳連接到DC/DC轉換器的反饋節點。當DACx輸出電壓設定為與反饋電壓相等時
，無電流流入衰減電阻，DC/DC轉換器的輸出電壓不發生變化。當DACx輸出電壓高於反饋電壓時
，電流流入反饋節點
，DC/DC轉換器的輸出必須下降以進行補償。要提升DC/DC轉換器輸出，DACx輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)設(she)定(ding)值(zhi)須(xu)低(di)於(yu)反(fan)饋(kui)節(jie)點(dian)電(dian)壓(ya)。為(wei)降(jiang)低(di)噪(zao)聲(sheng)

，如(ru)圖(tu)中(zhong)所(suo)示(shi)，可(ke)以(yi)將(jiang)該(gai)串(chuan)聯(lian)電(dian)阻(zu)分(fen)成(cheng)兩(liang)個(ge)電(dian)阻(zu)，其(qi)間(jian)的(de)節(jie)點(dian)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)電(dian)容(rong)去(qu)耦(ou)到(dao)DC/DC轉換器的地

 

閉環電源餘量微調

 

一種更精確
、更全麵的餘量微調方法是在閉環係統中使用類似的電路。圖4所示為針對1.2 V輸出的一個例子。要微調的電源軌電壓可以通過VX2回讀
，確保將其精確調整到目標電壓。ADM1066集成了執行微調所需的全部電路，12位逐次逼近型ADC用於讀取受監控電壓的電平，6個電壓輸出DAC用於按照上述方法調整電源電平。這些電路可以配合微控製器等其它智能器件使用，以實現閉環餘量微調係統
，它可以將DC/DC轉換器或LDO電源設定到任何電壓，精度為目標值的±0.5%。

 

為了在要測試的電源軌上實現閉環餘量微調，請執行下列步驟：

 

1. 禁用6路DACx輸出。

2. DACx輸出電壓設定為反饋節點電壓

3. 使能DAC

4. 讀取連接到VPx、VH或VXx引腳之一的DC/DC轉換器輸出的電壓。

5. 需要時，提高或降低DACx輸出電壓以調整DC/DC轉換器輸出電壓。否則就停止
，目標電壓已經達到。

6. 將DAC輸出電壓設定為某一值，使電源輸出改變所需的幅度（例如±5%）。

7. 重複該過程，直至達到該電源軌所需的電壓

 

步驟1至3確保各DACx輸出緩衝器開啟時，它對DC/DC轉換器輸出的直接影響非常小。DAC輸出緩衝器的作用是消除上電時的瞬變"毛刺"

，因為緩衝器首先上電並跟隨引腳電壓
，此時它不驅動該引腳。一旦輸出緩衝器正確使能，緩衝器輸入即切換到DAC，緩衝器的輸出級開啟
，從而消除輸出毛刺。

 

開關調節器的同步

 

在zai具ju有you多duo個ge電dian源yuan軌gui並bing使shi用yong一yi個ge以yi上shang開kai關guan調tiao節jie器qi或huo控kong製zhi器qi的de係xi統tong中zhong，由you於yu內nei部bu開kai關guan頻pin率lv的de差cha異yi，這zhe些xie器qi件jian之zhi間jian可ke能neng會hui相xiang互hu作zuo用yong。這zhe會hui引yin起qi拍pai頻pin諧xie波bo，大da幅fu提ti高gao電dian源yuan噪zao聲sheng，嚴yan重zhong影ying響xiangEMI測試。幸運的是，許多開關控製器和調節器在設計上都支持內部時鍾同步。LDO不存在這個問題
，但其電流輸出有限，並且在大多數情況效率較差，因此有時可能不合需要。

 

雙通道開關調節器、ADP2116 就是可同步器件的一個很好的例子。通過SCFG引腳，可將其SYNC/CLKOUT引腳配置為輸入SYNC引腳或輸出CLKOUT引腳。作為輸入SYNC引腳
，它可讓ADP2116與外部時鍾同步，兩個通道以外部時鍾頻率的一半、彼此180°錯相工作。

 

作為輸出CLKOUT引腳，它可提供輸出時鍾
，其頻率是通道開關頻率的兩倍且90°錯相。因此，一個配置為CLKOUT的ADP2116可以充當主轉換器，為所有其它DC/DC轉換器（包括其它ADP2116器件）提供外部時鍾（圖6）。配置為從器件時，它接收主器件的外部時鍾並與之同步。通過同步係統內的所有DC/DC轉換器，這種方法可防止產生能導致EMI問題的拍頻諧波。

 

圖6. 利用外部時鍾同步多個ADP2116

 

結束語

 

本文討論多電源係統的處理方法。時序控製器、監控器
、調節器和控製器具有非常高的功能集成度，便於設計工程師處理潛在的電源問題，而無需采用全部是分立IC的電路板。這些器件對設計工程師非常有用，可以提高設計成功的概率
，降低重新設計的可能性和電路板開發延誤的風險。

 

 

參考電路

 

Moloney, Alan. “Power Supply Management—Principles, Problems, and Parts.” Analog Dialogue. 40-2. May 2006.

 

 

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