多電源系統(tǒng)的監(jiān)控和時(shí)序控制
發(fā)布時(shí)間:2020-03-16 來源:Rich Ghiorse 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】現(xiàn)今,電子系統(tǒng)往往具有許多不同的電源軌。在采用模擬電路和微處理器、DSP、ASIC、FPGA的系統(tǒng)中,尤其如此。為實(shí)現(xiàn)可靠、可重復(fù)的操作,必須監(jiān)控各電源電壓的開關(guān)時(shí)序、上升和下降速率、加電順序以及幅度。既定的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能包括電源時(shí)序控制、電源跟蹤、電源電壓/電流監(jiān)控和控制。有各種各樣的電源管理IC可以執(zhí)行時(shí)序控制、跟蹤、上電和關(guān)斷監(jiān)控等功能。
時(shí)序控制和跟蹤器件可以監(jiān)控和控制多個(gè)電源軌,其功能可能包括設(shè)置開啟時(shí)間和電壓上升速率、欠壓和過壓故障檢測(cè)、余量微調(diào)(在標(biāo)稱電壓值的一定范圍內(nèi)調(diào)整電源電壓)以及有序關(guān)斷。適合這些應(yīng)用的IC種類眾多,簡單的如利用電阻、電容和比較器構(gòu)成的純模擬器件,復(fù)雜的如高集成度狀態(tài)機(jī)和通過 I2C bus.總線進(jìn)行數(shù)字控制的可編程器件。某些情況下,系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)器和控制器可能包括關(guān)鍵控制功能.
對(duì)于采用多個(gè)開關(guān)控制器和調(diào)節(jié)器的系統(tǒng),還有一個(gè)考慮是器件以不同開關(guān)頻率工作時(shí),如何將產(chǎn)生的系統(tǒng)噪聲降至最低。常常需要同步調(diào)節(jié)器的時(shí)鐘,事實(shí)上,如今的許多高性能開關(guān)控制器和調(diào)節(jié)器都可以與外部時(shí)鐘同步。
圖1. 電源軌的控制類型
電源時(shí)序控制和跟蹤
所謂電源時(shí)序控制,是指以指定順序開關(guān)電源。電源時(shí)序控制可以簡單地基于既定的時(shí)間順序,或者一個(gè)電源的開啟時(shí)間取決于另一個(gè)電源何時(shí)達(dá)到設(shè)定的閾值。電源跟蹤基于這樣一個(gè)事實(shí):電源電壓無法(一般也不應(yīng))瞬間改變。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以利用這一特性,有效地控制系統(tǒng)中各電源相對(duì)于其它電源的斜率。電源跟蹤分為三類:同步、比率和偏移。圖1中的四幅圖對(duì)時(shí)序控制、同步跟蹤、比率跟蹤和偏移跟蹤進(jìn)行了比較。
圖1a中,三個(gè)電源按一定的時(shí)間順序開啟和關(guān)閉。首先是3.3 V電源開啟,后續(xù)電源的開啟和關(guān)閉延遲時(shí)間取決于應(yīng)用的需要。如果額定最大值要求電源按一定的順序激活,這種簡單的時(shí)序控制技術(shù)將能確保有源器件的電壓不會(huì)超過額定最大值。舉例來說,在ADC驅(qū)動(dòng)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顯示同步跟蹤情況,所有三個(gè)電源同時(shí)開啟,并且以相同的速率彼此跟蹤,因此最低電源電壓首先建立,然后是較高的電源電壓。電源關(guān)斷以相反的方式進(jìn)行。這個(gè)例子很好地說明了舊式FPGA或微處理器應(yīng)用中電源是如何接通的:首先激活較低的內(nèi)核電壓,然后接通輔助或I/O電源。稍后將以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?qū)﹄娫吹男甭蔰V/dt進(jìn)行控制是一個(gè)非常有用的特性,它可以防止電路中去耦電容的大浪涌電流(充電電流)損壞器件。如果不加限制的話,浪涌電流可能大大超過標(biāo)稱工作電流。斜率限制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(xiǎn)絲熔斷。
圖1d中,所有電源具有相同的斜率,但其施加時(shí)間由預(yù)定的失調(diào)電壓決定。此類跟蹤適用于需要限制電源電壓差(常常出現(xiàn)在DAC和ADC等混合信號(hào)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。
基于FPGA的設(shè)計(jì)示例
使用FPGA系統(tǒng)的供電是探討多電源系統(tǒng)處理的活教材。適當(dāng)?shù)腇PGA電源控制對(duì)于實(shí)現(xiàn)可靠、可重復(fù)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要,否則可能會(huì)在實(shí)驗(yàn)室甚至現(xiàn)場引發(fā)災(zāi)難性故障。大多數(shù)FPGA具有多個(gè)電源軌,一般表示為 VCCO, VCCAUX,和 VCCINT.這些電源分別用于為FPGA內(nèi)核、輔助電路(如時(shí)鐘和PLL等)、接口邏輯供電.
這些電源軌需要考慮的事項(xiàng)可以分為如下幾類:
● 電源軌的時(shí)序控制
● 電源軌電壓的容差要求
● 電源可能有軟啟動(dòng)或斜率控制需求
下面以Xilinx Virtex-5系列FPGA的電源要求為例來說明,該系列提供許多特性,包括邏輯可編程能力、信號(hào)處理和時(shí)鐘管理。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè),Virtex-5的電源上電順序要求為 VCCINT, VCCAUX,和 VCCO.這些電源相對(duì)于地的斜坡時(shí)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范圍內(nèi),而且必須在特定的dV/dt范圍內(nèi)上升和下降.dV/dt.
但是,F(xiàn)PGA只是一個(gè)較大系統(tǒng)的一部分。為了進(jìn)一步闡明本例,假設(shè)有一個(gè)高電流、5 V主系統(tǒng)電源軌。為FPGA內(nèi)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(shè)計(jì)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(duì)此應(yīng)用,利用雙通道降壓控制器ADP1850 提供1 V和3 V高電流電源是一個(gè)很好的解決方案。ADP1850具有許多特性,其中包括:軟啟動(dòng)控制、同步跟蹤以及主從電源時(shí)序控制。上電時(shí)的上升速率由SS1和SS2引腳上的電容控制。本例中,3 V數(shù)字電源是主電源。針對(duì)2.5 V模擬電源,超低噪聲 低壓差調(diào)節(jié)器(LDO)ADP150 是絕佳選擇,它可以利用ADP1850的PGOOD2信號(hào)進(jìn)行時(shí)序控制。圖2為該系統(tǒng)的簡化框圖,顯示了時(shí)序控制的一般流程,詳情參見ADP1850數(shù)據(jù)手冊(cè)。
圖2. Virtex-5的電源系統(tǒng)
上例說明了時(shí)序控制和跟蹤的常見使用方式,可以將其擴(kuò)展到當(dāng)今的許多多電源系統(tǒng),包括基于微處理器的系統(tǒng)和涉及混合信號(hào)技術(shù)(ADC和DAC)的系統(tǒng)。
模擬電壓和電流監(jiān)控(ADM1191)
針對(duì)要求精密監(jiān)控多個(gè)系統(tǒng)電源電流和電壓的高可靠性應(yīng)用,可以使用簡單易行的模擬監(jiān)控電路。例如, 數(shù)字電源監(jiān)控器 ADM1191 提供1%的測(cè)量精度,包括一個(gè)用于電流和電壓回讀的12位ADC、一個(gè)精密電流檢測(cè)放大器以及一路用于提供過流中斷的ALERTB輸出。圖3顯示了ADM1191結(jié)合一個(gè)主控制器(如微處理器或微控制器等)的應(yīng)用。
圖3. 簡單的電源電壓和電流監(jiān)控器
ADM1191通過I2C 總線與主控制器通信。通過配置A0和A1引腳的邏輯輸入電平,同一系統(tǒng)最多可以支持16個(gè)器件的尋址。本地控制器可以將測(cè)得的電壓與電流相乘,從而計(jì)算電源軌的功耗。發(fā)生過流狀況時(shí),ALERTB信號(hào)通過一個(gè)中斷快速通知控制器,這個(gè)關(guān)于故障狀況的快速報(bào)警可以幫助保護(hù)系統(tǒng)免遭損壞。
時(shí)序控制和監(jiān)控的結(jié)合
大型固定系統(tǒng),甚至某些高性能插卡,具有許多需要控制和監(jiān)控的電源軌。圖4涉及到一個(gè)具有8個(gè)電源軌的復(fù)雜電源系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)的核心是ADM1066, 它是一款靈活的高集成度超級(jí)電源時(shí)序控制器Super Sequencer®可提供完整的電源控制功能,特性包括時(shí)序控制、監(jiān)控、余量微調(diào)和編程能力。ADM106x系列中的其它器件還具有溫度監(jiān)控和看門狗功能。
圖4. 8軌電源系統(tǒng)的控制
8軌系統(tǒng)具有三個(gè)主電源軌:12 V、5 V和3 V。其它電源軌則是利用開關(guān)調(diào)節(jié)器和LDO從這些主電源軌產(chǎn)生。每個(gè)調(diào)節(jié)器具有一路使能輸入,它由ADM1066的10路可編程驅(qū)動(dòng)器(PD)輸出之一驅(qū)動(dòng),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(gè)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(qū)動(dòng)電壓;當(dāng)需要控制更高電壓的電源時(shí),外部N-MOSFET用作電源軌開關(guān)。
ADM1066具有片上EEPROM,用以存儲(chǔ)電源系統(tǒng)控制參數(shù)。ADI公司的實(shí)用程序 為器件配置提供了便利,大大簡化了上電和運(yùn)行任務(wù),消除了費(fèi)時(shí)的代碼開發(fā)工作。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展,以及有新器件加入設(shè)計(jì)時(shí),可以輕松調(diào)整電源序列。時(shí)序參數(shù)和電壓跳變點(diǎn)很容易重新編程。這個(gè)功能非常有用,可以節(jié)省開發(fā)時(shí)間,降低電路板開發(fā)可能延誤的風(fēng)險(xiǎn)
數(shù)字輸出信號(hào)——PWRGD(電源良好)、VALID和SYSRST(系統(tǒng)恢復(fù))——由ADM1066在輪詢時(shí)產(chǎn)生,或者通過中斷/數(shù)字輸入提供,以便將電源系統(tǒng)的狀態(tài)告知系統(tǒng)微控制器,從而在發(fā)生故障時(shí)能夠采取措施。這種快速通知可以防止電容短路和其它危險(xiǎn)狀況引發(fā)災(zāi)難性損害。PWR_ON和/RESET是從系統(tǒng)控制器到ADM1066的數(shù)字輸入,用以形成完整的系統(tǒng)控制環(huán)路。
利用ADM1066進(jìn)行電源余量微調(diào)
在系統(tǒng)開發(fā)期間,當(dāng)設(shè)計(jì)工程師需要調(diào)整電源電壓以優(yōu)化其電平或使其偏離標(biāo)稱值時(shí),可以使用ADM1066的片內(nèi)DAC來執(zhí)行電源余量微調(diào)。利用這種余量微調(diào)特性,可以在電源限制范圍內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面特性測(cè)試,而不需要使用外部儀器。該功能通常是在在線測(cè)試(ICT)期間執(zhí)行,例如:當(dāng)制造商希望保證受測(cè)產(chǎn)品能夠在標(biāo)稱電源電壓±5%的范圍內(nèi)正常工作時(shí)?;趫D4所示的電路,用戶可以在許多電源軌上實(shí)現(xiàn)余量微調(diào)。
開環(huán)電源余量微調(diào)
對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器或LDO等電源進(jìn)行余量微調(diào)的最簡單方法,是將額外電阻切換到電源模塊的反饋節(jié)點(diǎn)中,以改變反饋或調(diào)整節(jié)點(diǎn)的電壓,從而利用DAC迫使輸出電壓上調(diào)或下調(diào)所需的幅度。采用這種衰減器(圖5)時(shí),可以通過SMBus更新相關(guān)DAC輸出的值,從而遠(yuǎn)程命令A(yù)DM11066執(zhí)行電源余量微調(diào)。該過程可以利用獨(dú)立于系統(tǒng)控制環(huán)路的開環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
圖5. 開環(huán)余量微調(diào)
ADM1066最多可以為6個(gè)電源執(zhí)行開環(huán)余量微調(diào),它利用6個(gè)片上電壓輸出DAC(DAC1至DAC6)驅(qū)動(dòng)要微調(diào)的電源模塊的反饋引腳。實(shí)現(xiàn)這一功能的最簡單電路是利用一個(gè)衰減電阻(R3),將DACx引腳連接到DC/DC轉(zhuǎn)換器的反饋節(jié)點(diǎn)。當(dāng)DACx輸出電壓設(shè)定為與反饋電壓相等時(shí),無電流流入衰減電阻,DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓不發(fā)生變化。當(dāng)DACx輸出電壓高于反饋電壓時(shí),電流流入反饋節(jié)點(diǎn),DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出必須下降以進(jìn)行補(bǔ)償。要提升DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出,DACx輸出電壓設(shè)定值須低于反饋節(jié)點(diǎn)電壓。為降低噪聲,如圖中所示,可以將該串聯(lián)電阻分成兩個(gè)電阻,其間的節(jié)點(diǎn)可以通過一個(gè)電容去耦到DC/DC轉(zhuǎn)換器的地
閉環(huán)電源余量微調(diào)
一種更精確、更全面的余量微調(diào)方法是在閉環(huán)系統(tǒng)中使用類似的電路。圖4所示為針對(duì)1.2 V輸出的一個(gè)例子。要微調(diào)的電源軌電壓可以通過VX2回讀,確保將其精確調(diào)整到目標(biāo)電壓。ADM1066集成了執(zhí)行微調(diào)所需的全部電路,12位逐次逼近型ADC用于讀取受監(jiān)控電壓的電平,6個(gè)電壓輸出DAC用于按照上述方法調(diào)整電源電平。這些電路可以配合微控制器等其它智能器件使用,以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)余量微調(diào)系統(tǒng),它可以將DC/DC轉(zhuǎn)換器或LDO電源設(shè)定到任何電壓,精度為目標(biāo)值的±0.5%。
為了在要測(cè)試的電源軌上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)余量微調(diào),請(qǐng)執(zhí)行下列步驟:
1. 禁用6路DACx輸出。
2. DACx輸出電壓設(shè)定為反饋節(jié)點(diǎn)電壓
3. 使能DAC
4. 讀取連接到VPx、VH或VXx引腳之一的DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出的電壓。
5. 需要時(shí),提高或降低DACx輸出電壓以調(diào)整DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓。否則就停止,目標(biāo)電壓已經(jīng)達(dá)到。
6. 將DAC輸出電壓設(shè)定為某一值,使電源輸出改變所需的幅度(例如±5%)。
7. 重復(fù)該過程,直至達(dá)到該電源軌所需的電壓
步驟1至3確保各DACx輸出緩沖器開啟時(shí),它對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出的直接影響非常小。DAC輸出緩沖器的作用是消除上電時(shí)的瞬變"毛刺",因?yàn)榫彌_器首先上電并跟隨引腳電壓,此時(shí)它不驅(qū)動(dòng)該引腳。一旦輸出緩沖器正確使能,緩沖器輸入即切換到DAC,緩沖器的輸出級(jí)開啟,從而消除輸出毛刺。
開關(guān)調(diào)節(jié)器的同步
在具有多個(gè)電源軌并使用一個(gè)以上開關(guān)調(diào)節(jié)器或控制器的系統(tǒng)中,由于內(nèi)部開關(guān)頻率的差異,這些器件之間可能會(huì)相互作用。這會(huì)引起拍頻諧波,大幅提高電源噪聲,嚴(yán)重影響EMI測(cè)試。幸運(yùn)的是,許多開關(guān)控制器和調(diào)節(jié)器在設(shè)計(jì)上都支持內(nèi)部時(shí)鐘同步。LDO不存在這個(gè)問題,但其電流輸出有限,并且在大多數(shù)情況效率較差,因此有時(shí)可能不合需要。
雙通道開關(guān)調(diào)節(jié)器、ADP2116 就是可同步器件的一個(gè)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(shí)鐘同步,兩個(gè)通道以外部時(shí)鐘頻率的一半、彼此180°錯(cuò)相工作。
作為輸出CLKOUT引腳,它可提供輸出時(shí)鐘,其頻率是通道開關(guān)頻率的兩倍且90°錯(cuò)相。因此,一個(gè)配置為CLKOUT的ADP2116可以充當(dāng)主轉(zhuǎn)換器,為所有其它DC/DC轉(zhuǎn)換器(包括其它ADP2116器件)提供外部時(shí)鐘(圖6)。配置為從器件時(shí),它接收主器件的外部時(shí)鐘并與之同步。通過同步系統(tǒng)內(nèi)的所有DC/DC轉(zhuǎn)換器,這種方法可防止產(chǎn)生能導(dǎo)致EMI問題的拍頻諧波。
圖6. 利用外部時(shí)鐘同步多個(gè)ADP2116
結(jié)束語
本文討論多電源系統(tǒng)的處理方法。時(shí)序控制器、監(jiān)控器、調(diào)節(jié)器和控制器具有非常高的功能集成度,便于設(shè)計(jì)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(duì)設(shè)計(jì)工程師非常有用,可以提高設(shè)計(jì)成功的概率,降低重新設(shè)計(jì)的可能性和電路板開發(fā)延誤的風(fēng)險(xiǎn)。
參考電路
Moloney, Alan. “Power Supply Management—Principles, Problems, and Parts.” Analog Dialogue. 40-2. May 2006.
推薦閱讀:
特別推薦
- AMTS 2025展位預(yù)訂正式開啟——體驗(yàn)科技驅(qū)動(dòng)的未來汽車世界,共迎AMTS 20周年!
- 貿(mào)澤電子攜手安森美和Würth Elektronik推出新一代太陽能和儲(chǔ)能解決方案
- 功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(六)——瞬態(tài)熱測(cè)量
- 貿(mào)澤開售Nordic Semiconductor nRF9151-DK開發(fā)套件
- TDK推出用于可穿戴設(shè)備的薄膜功率電感器
- 日清紡微電子GNSS兩款新的射頻低噪聲放大器 (LNA) 進(jìn)入量產(chǎn)
- 中微半導(dǎo)推出高性價(jià)比觸控 MCU-CMS79FT72xB系列
技術(shù)文章更多>>
- 意法半導(dǎo)體推出首款超低功耗生物傳感器,成為眾多新型應(yīng)用的核心所在
- 是否存在有關(guān) PCB 走線電感的經(jīng)驗(yàn)法則?
- 智能電池傳感器的兩大關(guān)鍵部件: 車規(guī)級(jí)分流器以及匹配的評(píng)估板
- 功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(八)——利用瞬態(tài)熱阻計(jì)算二極管浪涌電流
- AHTE 2025展位預(yù)訂正式開啟——促進(jìn)新技術(shù)新理念應(yīng)用,共探多行業(yè)柔性解決方案
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索