電源管理IC和電源軌次序與高可靠系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高性能IC器件如FPGA一般都要求多條獨(dú)立的直流電源軌來給器件內(nèi)核、RAM、內(nèi)部緩存、外部擴(kuò)展I/O如I2C、SPI、LVDS以及其它端口提供電源。這些電源軌可能是不同規(guī)格的，但是差距也一般很小如1.2V、1.5V和1.7V，有時(shí)這些電源軌也具有同樣的電壓值，但是耐壓能力或者物理布局位置可能不一樣。例如WiFi網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用的高集成度的專業(yè)應(yīng)用IC就可能集成了多條電源軌，支持不同的網(wǎng)路功能以及不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所要求的接口電壓。在天線驅(qū)動(dòng)器和功率放大器應(yīng)用場景也具備雙向供電特性。

電源軌的數(shù)量不僅僅面向單一的IC器件，它面向的是整個(gè)完整的系統(tǒng)，電源軌的數(shù)量也在不斷的增加，比如增加電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)MOSFET/IGBT、其他一些專用通信接口如以太網(wǎng)、RS-232/422接口。因此無論板卡尺寸大小，一個(gè)完整的系統(tǒng)可能需要更多的電源軌，完全可以采用一個(gè)獨(dú)立的DC電源調(diào)節(jié)器來驅(qū)動(dòng)(也可以成為電源轉(zhuǎn)換器)。

設(shè)計(jì)者的問題

設(shè)計(jì)者的問題是當(dāng)我們采用主電源的時(shí)候——無論是具體的實(shí)際開關(guān)還是軟件控制的開關(guān)——這些電源軌必須按照之前精心設(shè)計(jì)的次序上電并達(dá)到最終穩(wěn)定值(當(dāng)關(guān)閉電源操作時(shí)也要按照制定的斷電次序);如圖1所示，如果次序和相對時(shí)序不正確或者電壓上升和下架的波動(dòng)頻率明顯會(huì)隊(duì)電路造成不可挽回的損壞。

圖1：多電源軌系統(tǒng)的上電次序一般是某些電源軌必須在其他電源軌上電后或者達(dá)到穩(wěn)定值后才能上電，關(guān)閉的次序也大致如此，如上圖是Altera Enpirion ES1021QI的電源軌上電次序(來源：Altera公司)

盡管有時(shí)候不會(huì)造成不可挽回的破壞，但是錯(cuò)誤的上電次序可能會(huì)導(dǎo)致操作異常也會(huì)造成一些我們不能夠接受的結(jié)果:比如我們給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的MOSFET上電了，但是電動(dòng)機(jī)控制軟件還沒有初始化完成，控制MOSFET的操作還沒有就緒會(huì)產(chǎn)生哪些影響。當(dāng)然這些問題也不一定與正常的上電順序有關(guān)系，也可能是與系統(tǒng)電路板卡的熱插拔設(shè)計(jì)有關(guān)。

為了解決這些問題我們需要采用專業(yè)的電源管理IC(PMIC)來實(shí)現(xiàn)電源的上電次序和時(shí)序。功能全滿的PMIC能夠幫助工程師完成以下工作：

• 建立多電源軌之間有序的上電/關(guān)閉次序，互不影響

• 如果需要的話能夠控制電壓波動(dòng)(上升/下降)的頻率

• 任何一個(gè)電源軌出現(xiàn)問題不影響對其他電源軌的管理

實(shí)際上不同電源軌之間的時(shí)序是與電源軌的電壓相關(guān)的而不是絕對的延遲時(shí)間，不同電源軌連續(xù)上電的時(shí)間間隔是以毫秒為單位的。上電規(guī)則有時(shí)很簡單，比如“電源軌A上電完成再給電源軌B上電”，當(dāng)然有時(shí)也很復(fù)雜，比如“只有當(dāng)電源軌A和B的電壓都達(dá)到穩(wěn)定值才給電源軌C上電”。(注意：“上電”的定義是根據(jù)不同應(yīng)用要求來設(shè)置的，大部分是最終穩(wěn)定電壓的90%，但是某些嚴(yán)格的應(yīng)用場景要求達(dá)到最終電壓1%以內(nèi))。

盡管在大部分應(yīng)用中對于電壓是嚴(yán)格的，而不是時(shí)間間隔，但是一些應(yīng)用將設(shè)計(jì)的替換時(shí)間作為標(biāo)準(zhǔn)。這種情況是可能的，如果工程師知道某個(gè)具體的電源軌能夠在合理的時(shí)間內(nèi)達(dá)到期望的電壓值，那么相比電壓值，時(shí)序也更加容易精確的測量。在這些具體的場景中，比如“電源軌B上電完成后立刻給電源軌A上電”就可以具體規(guī)定為“電源軌A上電50毫秒后給電源軌B上電”。然而這種方法在實(shí)際應(yīng)用是必須非常小心，因?yàn)槲覀儾荒茯?yàn)證電源軌A是否達(dá)到了期望的電壓值，而不是說“在這段時(shí)間它應(yīng)該上電完成了”。

基于正極狀態(tài)/反饋來確定電源軌的次序

有趣的是在一些應(yīng)用中時(shí)間周期比較長，不能用毫秒來表示。在這些應(yīng)用情形中，讓另一個(gè)電源軌上電之前可能已經(jīng)過去幾秒鐘或者更長的時(shí)間。舉個(gè)例子，比如加熱器首先必須達(dá)到要求溫度才能進(jìn)行其他操作，還比如系統(tǒng)處理器必須進(jìn)行校正操作才能向高壓或者高功率子系統(tǒng)供電，但是如果我們還沒有對某個(gè)關(guān)鍵的傳感器參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證就輸出高電壓，可能會(huì)造成電子系統(tǒng)的損壞。

一些電源管理IC集成了DC/DC轉(zhuǎn)換器(LDO和切換開關(guān))，提供必要的上電時(shí)序，并且對某些目標(biāo)應(yīng)用場景如筆記本電腦(涉及CPU、內(nèi)存、顯示器、I/O和其它標(biāo)準(zhǔn)功能)進(jìn)行了優(yōu)化。盡管這些優(yōu)化很適合目標(biāo)應(yīng)用場景，并且應(yīng)該進(jìn)行這樣的設(shè)置，但是從本質(zhì)上來看這會(huì)限制工程師對電源軌電壓和其它應(yīng)用類型選擇的靈活性。

按一定次序給系統(tǒng)上電不是新出現(xiàn)的要求，例如真空管已經(jīng)快被IC所淘汰了，除非一些特性的應(yīng)用比如X射線發(fā)生器或者無線電/電視廣播發(fā)射器——這是普遍存在的要求：燈絲必須通電并且達(dá)到最終的操作溫度，金屬板才會(huì)別“B+”電壓所激發(fā)釋放電子。對于五管AM收音機(jī)來講這個(gè)延遲時(shí)間可能是零，對于千瓦級別的廣播發(fā)射器而言可能要持續(xù)很多分鐘。這個(gè)任務(wù)有時(shí)是系統(tǒng)操作員通過打開/關(guān)閉開關(guān)手動(dòng)完成的，在其它一些場景，我們可以采用專用的電磁機(jī)械繼電器，它內(nèi)部集成了定時(shí)器。當(dāng)然不管是手動(dòng)操作還是基于繼電器的解決方案對于采用FPGA的產(chǎn)品來講都是可行的，這樣的收音設(shè)備可以放在口袋或者公文包里面。

從底層設(shè)計(jì)開始

在供電次序的討論中，很容易就會(huì)涉及到不同電源軌的管理策略上，電源軌的控制是底層最基本的問題，我們要注意到有兩個(gè)問題需要解決：定序器輸出的控制信號以及每個(gè)DC調(diào)壓器輸入的響應(yīng)控制信號。

首先對于第一個(gè)因素，定序器的選擇必須有完善的控制信號輸出，當(dāng)然如果需要還需要提供一定數(shù)量的擴(kuò)展信號。這段輸出端口都很簡單，一般采用單個(gè)GPIO(通用I/O端口)。

對于第二個(gè)因素，DC調(diào)壓器必須有一個(gè)使能輸入管腳，或者在調(diào)壓器輸入和電源軌之間增加電子開關(guān)(通常采用MOSFET)，用于控制這個(gè)開關(guān)。如圖2所示，大多數(shù)情況下都會(huì)選擇采用DC調(diào)壓器，這種方案的邏輯使能控制非常簡單，如果可能的話電源管理IC可以直接使用合適的電流/電壓來驅(qū)動(dòng)電源軌的MOSFET，而不用采用另外的MOSFET驅(qū)動(dòng)器。

不同的解決方案，更廣泛的靈活性

定序一般被認(rèn)為是電源管理IC的功能，但是這是存在歧義的。一些電源管理IC有定序功能而其他一些電源管理IC則增加了其他功能特性，例如過電流或者過電壓保護(hù)。盡管這些提升看似很值得，但是這些功能有些重疊，甚至直接與電源調(diào)壓器的功能產(chǎn)生了沖突。其他電源管理IC沒有定序功能，但是集成了監(jiān)測和報(bào)告電源軌狀態(tài)功能。因此確定正確的定序解決方案不僅要參考電源管理IC解決方案也要參考非電源管理IC解決方案。

圖2：電源管理IC輸出直接控制Vreg，或者驅(qū)動(dòng)外部MOSFET，在VREG和電源軌之間充當(dāng)切換開關(guān)，上圖中在電源Vx和電源軌VxOUT之間設(shè)置了四個(gè)MOSFET，分別是1，2，3，4(來源：Altera數(shù)據(jù)手冊)

最簡單的情形就是順序上電，也就是說每個(gè)電源軌在前一個(gè)電源軌上電完成后開始打開電源上電，這種方案是最簡單不過的了。如果每個(gè)電源軌調(diào)壓器都有“power good”(PG)信號輸出，下一個(gè)調(diào)壓器設(shè)置“enable”(EN)使能控制輸入，PG管腳連接到EN使能輸入管腳，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)調(diào)壓器輸出PG信號就會(huì)自動(dòng)讓下一個(gè)調(diào)壓器打開上電，如圖3所示電路連接。

圖3：在某些應(yīng)用場景非常簡單但是高效的上電方案就是順序上電，將前一個(gè)調(diào)壓器的PG輸出管腳與下一個(gè)調(diào)壓器的EN使能輸入連接，上圖是2個(gè)TI TPS62085逐步降低調(diào)壓器提供DC電源Vout1和Vout2(來源：TI數(shù)據(jù)手冊)

這種方法是個(gè)任意多個(gè)DC調(diào)壓器的順序連接，但是這種方案的效果也是有限的。盡管采用的是順序模式(PG管腳可以連接到不止一個(gè)EN管腳)，但是靈活性很差。而且這種方法也不能控制時(shí)序，比如某個(gè)電源需要等待一定的間隔時(shí)間才能夠上電，也不能夠解決關(guān)閉次序，況且這與上電次序同等重要。

為了克服這些問題，帶有定時(shí)器控制的復(fù)位IC可以用于上電次序，功能強(qiáng)大且靈活的555定時(shí)器IC(或者改進(jìn)版)可以用于控制次序，可以在第一個(gè)電源軌達(dá)到穩(wěn)定電壓或者關(guān)閉后引入一定的時(shí)間間隔。這個(gè)時(shí)間間隔可以通過調(diào)整555定時(shí)器的某個(gè)硬件電阻來實(shí)現(xiàn)，因此這些問題可以通過設(shè)計(jì)和BOM來就解決，而不是固件。如圖4所示，盡管這看似不是一個(gè)很好的解決方法，但是確實(shí)非常高效的一種，尤其是當(dāng)定序問題是可見的就非常有用了，我們需要條件硬件原型板卡就可以了。

圖4：在一些設(shè)計(jì)中使用的另一種解決方案是采用555型定時(shí)器IC，通過調(diào)節(jié)電阻值來設(shè)置不同的延遲時(shí)間

對于電源軌較多的系統(tǒng)則需要更大的靈活性，美信(Maxim)公司設(shè)計(jì)的MAX16029電源管理IC可用于四通道電源軌，延遲時(shí)間支持用戶自定義，主要是通過外置電容實(shí)現(xiàn)的，這樣可以避免掉電易失和啟動(dòng)的問題，如圖5所示。四個(gè)電源軌通道是互相獨(dú)立的，每個(gè)通道的輸出可以用于漏極開路配置，支持輸出的電源軌電壓最高可達(dá)28V，適合更高電壓要求的DC調(diào)壓器。其他電源管理IC還具有時(shí)序設(shè)置功能，是通過PMBus總線接口而不是調(diào)節(jié)外部電容值或者電阻值，因此能夠同時(shí)控制四個(gè)以上的電源軌輸出。

圖5：美信(Maxim)公司推出的MAX16029電源管理IC使用外置電容來調(diào)節(jié)四個(gè)獨(dú)立的電源軌通路的延遲時(shí)間，支持最高DC輸出電壓28V。(來源：美信公司數(shù)據(jù)手冊)

固件、軟件提供更高級的解決方案

對于有很多電源軌的應(yīng)用，定序要求也就更復(fù)雜，需要全面的管理打開/關(guān)閉操作。之前采用的方案一般不夠高效而且需要很多額外的電路。現(xiàn)在有兩種方案來解決這些挑戰(zhàn)，兩者都能提供所需的功能，一種是采用用戶可編程的微控制器，一種是采用全可編程的IC器件，專門應(yīng)用這種定序器的設(shè)計(jì)。

舉個(gè)例子，Microchip公司推出的PIC16F1XXX系列的電源管理IC能夠處理四個(gè)、八個(gè)或者更多數(shù)量的電源軌;如圖6所示。嵌入式固件是用戶可編程的，可以按要求設(shè)置定序器屬性，支持 PG信號、上升/下降時(shí)間，同時(shí)如果電壓超出范圍或者上電失敗還提供了各種預(yù)警模式。PIC系列器件集成了10位ADC轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行數(shù)字化處理取平均值，相當(dāng)于4位轉(zhuǎn)換。PIC16F1XXX系列的選擇集成的GPIO的數(shù)量包括數(shù)十個(gè)，不僅能夠用于使能電壓調(diào)節(jié)器也可以用于驅(qū)動(dòng)電源軌的MOSFET，幾乎能適用于各種應(yīng)用場景。

圖6：基于Microchip PIC16F1XXX系列的電源定序器具有更大的靈活性，不同電源軌之間的上電次序和時(shí)間間隔設(shè)備都很方便，內(nèi)部集成的ADC轉(zhuǎn)換器則提供詳細(xì)的性能指標(biāo)(來源：Microchip數(shù)據(jù)手冊)

TI公司推出的一款定序?qū)Ｓ玫钠骷CD90120A集成了另一項(xiàng)全可編程特性;如圖7所示。12個(gè)電源軌的上電次序和監(jiān)測是通過PMBus總線/I2C接口，同時(shí)也包括26個(gè)可用的GPIO管腳用于其他電源相關(guān)功能，例如電源使能控制、復(fù)位和系統(tǒng)處理器的終端預(yù)警。結(jié)合用戶可視化界面(GUI)工程師可以建立復(fù)雜的電源軌上電/關(guān)閉安排和時(shí)序規(guī)則，如果發(fā)生任何故障還能提供詳細(xì)的系統(tǒng)故障分析報(bào)告;如圖8所示。

圖7：TI公司推出的UCD90120A器件專門用于電源軌的次序和監(jiān)測，最多支持12個(gè)電源軌，采用PMBus/I2C總線接口支持用戶自定義設(shè)置;其他的GPIO管腳可用于其他電源相關(guān)功能

圖8：電源管理IC器件如UCD90120A結(jié)合GUI提供了強(qiáng)大的功能，可以建立復(fù)雜的多條電源軌的次序設(shè)置規(guī)則，同時(shí)可以通過界面觀察每個(gè)電源軌的狀態(tài)以及它們之間的時(shí)序順序(來源：TI應(yīng)用筆記)

總結(jié)

電源和電源軌可能并沒有受到處理器一樣的重視，但是它們對于一個(gè)成功可靠的設(shè)計(jì)來講，它們的重要性在不斷上升，保證更高的性能和更豐富的功能，用于廣泛的應(yīng)用場景如手持智能手機(jī)、各種大型儀器如農(nóng)場服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心等。管理這么多的電源軌不是件容易的事情，但是我們有很多電源和電源管理IC可用的選擇，滿足不同項(xiàng)目應(yīng)用的功能要求。這些解決方案包括簡單的級聯(lián)順序使能上電、復(fù)雜的全可編程IC控制，提供建立和修改很多關(guān)鍵參數(shù)的能力。