【導(dǎo)讀】微處理器、FPGA、DSP、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和片上系統(tǒng) (SoC) 器件一般需要多個電壓軌才能運行。為防止出現(xiàn)鎖定、總線爭用問題和高涌流，設(shè)計人員需要按特定順序啟動和關(guān)斷這些電源軌。此過程稱為電源時序控制或電源定序，目前有許多解決方案可以有效實現(xiàn)定序。
微處理器、FPGA、DSP、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和片上系統(tǒng) (SoC) 器件一般需要多個電壓軌才能運行。為防止出現(xiàn)鎖定、總線爭用問題和高涌流，設(shè)計人員需要按特定順序啟動和關(guān)斷這些電源軌。此過程稱為電源時序控制或電源定序，目前有許多解決方案可以有效實現(xiàn)定序。
此外，為有效進行升壓和關(guān)斷而應(yīng)運而生的各種電源定序器、監(jiān)視器和監(jiān)控器還采用了電壓和電流水平監(jiān)控技術(shù)來計算功率水平，目的是保護復(fù)雜的集成電路和子組件。
本文將詳細介紹電源定序，探討電源定序規(guī)范和技術(shù)，以及如何使用電源定序器來實現(xiàn)指定的電源軌定時及定序。
為什么要關(guān)注電源定序？
FPGA 及類似的復(fù)雜集成電路 (IC) 可在內(nèi)部分解成多個功率域。在啟動或關(guān)斷器件時，此類 IC 大多需要特定的順序。例如，F(xiàn)PGA 通常需要分別為內(nèi)核邏輯、I/O 和輔助電路上電。
其內(nèi)核通常包括 FPGA 的處理器和基本邏輯單元。該功率域具有低電壓、高電流功率規(guī)范特征。由于電壓極低，因此其對精度要求極高，而由于數(shù)字負載的動態(tài)特性，瞬態(tài)性能必須非常出色。I/O 代表 FPGA 的各種輸入和輸出。電壓要求取決于接口類型。一般來說，其電壓電平需大于內(nèi)核的電壓電平。電流要求則取決于 I/O 的類型、數(shù)量和速度。
輔助電路包括 FPGA 中的噪聲敏感型模擬電路，例如鎖相環(huán) (PLL) 和其他模擬電路元件。雖然電流要求相當(dāng)?shù)停y波電壓是個大問題，必須最大程度地降低紋波電壓。模擬部分的紋波可能會導(dǎo)致 PLL 出現(xiàn)過大抖動和相位噪聲，還可能導(dǎo)致放大器出現(xiàn)雜散響應(yīng)。
以錯誤順序啟動各功率域的電源可能會引起問題，并可能導(dǎo)致 FPGA 受損。需要考慮的是，I/O 部分基于三態(tài)總線收發(fā)數(shù)據(jù)，而內(nèi)核負責(zé)處理 I/O 控制。如果 I/O 功率域在內(nèi)核之前上電，則 I/O 引腳會以不確定狀態(tài)結(jié)束。如果外部總線組件上電，則可能存在總線爭用問題，導(dǎo)致 I/O 驅(qū)動器出現(xiàn)高電流。因此，內(nèi)核應(yīng)在 I/O 功率域之前啟動。請務(wù)必查閱供應(yīng)商的 FPGA 規(guī)范，了解推薦的電源啟動和關(guān)斷順序以及電源軌之間的最大差分電壓。
同樣，功率運算放大器等器件擁有兩個功率域：模擬域和數(shù)字域。數(shù)字域為放大器的診斷狀態(tài)標記提供電源，識別過熱和過流狀態(tài)。此外，數(shù)字域還支持放大器的使能/關(guān)斷功能。該器件規(guī)格要求，數(shù)字域應(yīng)在模擬電源之前上電，以便這些狀態(tài)標記在模擬域上電之前能夠正常運行。這樣做的目的是防止可能對器件造成損壞。
電源定序方法
通常有三種類型的多軌定序（圖 1）。最常用的方法是順序定序，這種方法是先接通一個電源軌，然后延時，然后再接通下一個電源軌。設(shè)置延時的目的是確保第一個電源軌在第二個電源軌啟動之前達到穩(wěn)壓。
圖 1：三種電源定序技術(shù)。不論采用哪種技術(shù)，電壓均須以單調(diào)方式上升。否則，器件可能會因啟動期間電壓意外下降而無法正確初始化。（圖片：Digi-Key Electronics）
第二種定序技術(shù)是比率定序。在該技術(shù)中，電源軌會同時啟動并同時達到各自的額定電壓。這就需要電源軌上升時間與電源軌電壓成正比，才能同時實現(xiàn)穩(wěn)壓。
有些器件可能無法承受達到穩(wěn)壓之前發(fā)生的瞬時電壓差。而這可能導(dǎo)致器件在此期間在一個電源上消耗更高的電流。
第三種方法是同時啟動，這種方法可以最大限度地減少瞬時電壓差，并且可以減少這些壓力的規(guī)模和周期。實施這種方法的一種常見方式是同時上電，即：電壓軌以相同速率一起上升，較高的電壓軌（通常是 I/O 電壓軌）在較低電壓軌或內(nèi)核電壓軌達到其最終值后繼續(xù)上升。
不論采用哪種技術(shù)，電壓均須以單調(diào)方式上升。否則，器件可能會因啟動期間電壓意外下降而無法正確初始化。
另外，可以使用軟啟動來限制啟動期間的涌流。這種做法可以限制啟動期間的電流，從而允許啟動時逐漸對電源軌電容進行充電。
電源關(guān)斷順序通常被指定成與啟動順序相反。
選擇使用何種啟動或關(guān)斷技術(shù)應(yīng)取決于器件的規(guī)格。
電源定序示例
同時啟動相對容易設(shè)置。您需要將最高電壓輸出連接到較低電壓穩(wěn)壓器的輸入上（圖 2）。
圖 2：通過以菊花鏈方式連接穩(wěn)壓器可以實現(xiàn) 5 V 電源和 3.3 V 電源的同時啟動。（圖片：Digi-Key Electronics）
在本示例中，較高電壓是 5 V 電源。這個 5 V 電壓也饋入 3.3 V 穩(wěn)壓器。圖中顯示的是 5 V 和 3.3 V 電源同時上升且最小壓差達到 3.3 V 電源穩(wěn)壓點時的電壓輸出。
該定序技術(shù)最好使用定序器集成電路（如 Texas Instruments 的 LM3880）來實現(xiàn)。LM3880 是一款簡單的電源定序器，可通過穩(wěn)壓器或電源的使能輸入來控制多個獨立的穩(wěn)壓器或電源。
當(dāng) LM3880 啟動時，三個輸出標志將在各個延遲時間后依次釋放，從而允許連接的電源進行啟動。在關(guān)斷期間，輸出標志將遵循相反的順序。下圖是一個使用 LM3880 的設(shè)計實例，采用 Texas Instruments 的 WEBENCH Power Designer 軟件設(shè)計而成（圖 3）。這款免費軟件工具不僅能幫助工程師設(shè)計與電源相關(guān)的電路，而且還能提供示意圖、材料清單及模擬結(jié)果。該圖顯示了示意圖、圖表、使能以及三個標志輸出。
LM3880 的延遲時間和次序是固定不變的，但可通過內(nèi)置的 EPROM 在工廠進行定制。此外，Texas Instruments 還為 LM3881 定序器提供了電容器可編程延遲功能。
圖 3：Texas Instruments 的 WEBENCH Power Designer 軟件屏幕截圖顯示了 LM3880 設(shè)計示意圖以及用于控制外部穩(wěn)壓器或電源的使能輸入及輸出標志圖表。（圖片：Digi-Key Electronics）
Analog Devices 的 LTC2937 定序器/電壓監(jiān)控器是一款稍微復(fù)雜的電源控制器件。與 LM3880 一樣，LTC2937 可以控制多達六個電源或穩(wěn)壓器的時序和時間延遲（圖 4）。
圖 4：LTC2937 最多可以控制六個電源時序，同時還可以監(jiān)控電源軌電壓。通過一根電線可以同步多個器件，最多可控制 300 個電源。（圖片：Analog Devices）
除了最多可對六個電源軌進行定序外，這款定序器還可以監(jiān)控這些電源軌上的電壓，進而過壓、欠壓、壓降及失控電源啟動檢測。如果發(fā)生故障，您可以對該器件進行編程以關(guān)斷或重啟電源。錯誤情況將會記錄到內(nèi)部的 EEPROM 中。LTC2937 可通過 I2C 或 SMBus 進行編程和控制。其編程可借助 Analog Devices 的 LTpowerPlay GUI 軟件進行。EEPROM 支持自主運行且無需軟件。若系統(tǒng)需要六個以上電源軌，只需將多個 LTC2937 鏈接在一起，即可控制多達 300 個電源。
對于復(fù)雜的多核處理器、FPGA 以及其他 SOC 器件，Texas Instruments 提供了 TPS650860 可配置多軌電源管理單元。這款單 IC、輸入電壓范圍 5.6 V - 21 V 的電源管理單元包含三個降壓控制器、三個降壓轉(zhuǎn)換器、一個灌入或拉出低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器、三個低壓輸入 LDO、穩(wěn)壓器和三個負載開關(guān)（圖 5）。
圖 5：Texas Instruments 的 TPS650860 功能框圖顯示了 13 個時序完全受控的穩(wěn)壓輸出。（圖片：Texas Instruments）
該器件具有 13個穩(wěn)壓輸出，可滿足 FPGA 或其他負載器件的需求。
其降壓轉(zhuǎn)換器含內(nèi)置功率級，而降壓控制器則需要外部功率級。無論是轉(zhuǎn)換器，還是控制器，均集成了電壓感應(yīng)輸入來監(jiān)控電源輸出，從而實現(xiàn)定序控制。其負載開關(guān)含有壓擺率控制，可以針對三種定序類型（順序、比率或同時）的任意一種對與這些開關(guān)有關(guān)的電源軌進行編程。
TPS650860 經(jīng)由 I2C 接口進行控制，因此可通過嵌入式控制器或相關(guān) SoC 管理器實現(xiàn)簡單的控制。這種電源管理 IC 具有領(lǐng)先的控制靈活性。
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