一種新的電源定序方法

一種新的電源定序方法

Power Supply Sequencing - A New Approach

Mark O'Sullivan     Artesyn Technology  

　　目前，大部分為通信和數(shù)據(jù)處理應(yīng)用而設(shè)計(jì)的電路板需要多種集成電路供電電壓。長期以來，在上電和斷電過程中正確的給這類電源定序一直是個設(shè)計(jì)問題，這個問題由于最新集成電路的苛刻要求而日益嚴(yán)重。本文考察了各類定序方法，重點(diǎn)闡述了具有內(nèi)置定序特性的新一代模塊式負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器是如何提供了一種特別有成本效益的解決方案。

　　硅器件制造商正逐步通過轉(zhuǎn)向亞微米制造穩(wěn)步地提高高性能集成電路的性能和功能特性。伴隨這種趨勢的是比以往任何時候都要低的工作電壓，目的是為了將轉(zhuǎn)換速度最大化并防止形狀很小的晶體管二次擊穿。因此，幾乎所有的高性能集成電路，包括DSP(數(shù)字信號處理器)、ASIC（專用集成電路）、FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)和CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)，現(xiàn)在均要求幾條電源軌道-－一條用于高速的處理內(nèi)核，一條或多條用于其輸入/輸出（I/O）功能。典型的內(nèi)核（電壓）值為1.2V，1.5V或1.8V，而I/O功能（電壓）一般較高，為2.5V、3.3V或5V。

電源定序的重要性

　　為避免處理內(nèi)核受到潛在的損壞和封鎖，硅器件制造商嚴(yán)格規(guī)定了I/O和處理內(nèi)核之間上電和斷電電壓順序。但是滿足電路板上所有器件的定序要求是一個相當(dāng)大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)椴煌募呻娐分圃焐掏扑]了不同的方法。這種要求甚至可以變得如此復(fù)雜，以致最終應(yīng)用可以影響到順序。

　　設(shè)計(jì)師主要有三種電源定序方法可以選擇，即通常所說的順次(定序)、對比度量(定序)和同步(定序)。對于順次定序，一旦相配的延遲時間過去，主電源的上升控制次電源的上升。對比度量定序此時則是一個變式，它從主電源上的電阻分壓器那里獲得二次電源控制信號。它基本上只采用了少數(shù)幾種調(diào)壓器集成電路，因此本文不作討論。同步定序是：允許所有電源以相同的速率一起開始上升直至每個電源達(dá)到其設(shè)定值。這種方法最有可能滿足由不同集成電路制造商規(guī)定的定序要求，文中將詳述。

順序定序的各種途徑

　　給電源定序最簡單的形式是在次電源遙控開/關(guān)(ON/OFF)輸入端和主電源之間設(shè)置RC網(wǎng)絡(luò)，次電源一般是一種經(jīng)隔離的或非隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器或功率調(diào)節(jié)器模塊。這種方法的主要不足之處是如果較早的電壓未上升，則無法保證后來的電壓不會上升。因此設(shè)計(jì)師通常要將一個電壓比較器和一個電壓基準(zhǔn)包含進(jìn)去以確保第二個電源開始上電之前，第一個電源處于正確的電壓范圍內(nèi)，見圖1所示。這個過程可以在連續(xù)供電時反復(fù)進(jìn)行。

　　這種方法的缺點(diǎn)是所要求的附加電路復(fù)雜，特別是當(dāng)需要按照與啟動相反的順序關(guān)閉時。印制板設(shè)計(jì)師采用這種定序方法是比較容易的__幾家專業(yè)集成電路制造商生產(chǎn)含有這種電路的監(jiān)控用集成電路，但是它占用了寶貴的印制板空間，帶來了額外的費(fèi)用成本，并且隨著電壓供應(yīng)的上升，變得不實(shí)用。圖2示出了一種基于分立元件的典型的電路，它采用了一種監(jiān)控用集成電路來監(jiān)視三個DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊的輸出值。

　　在上電過程中，一旦監(jiān)控用集成電路確定三個轉(zhuǎn)換器全部到達(dá)各自的額定調(diào)節(jié)值，軌道電壓被同步加到負(fù)載上。這種方法的困擾是元件數(shù)量多，而且設(shè)計(jì)師必須讓每個電源通道置入MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管)功率開關(guān)。這些功率開關(guān)帶來了損失，而且他們只能傳輸較低的負(fù)載電流。

　　有幾家半導(dǎo)體制造商還生產(chǎn)全集成定序器，它本質(zhì)上是一種控制板載電源順序的微處理器并且具有其它電源調(diào)節(jié)功能如監(jiān)控。全集成定序器提供了一種比分立RC裝置更方便且更精確的定序方法，其設(shè)置還相當(dāng)?shù)撵`活，但是他們一般是復(fù)雜器件，需要編程并且還要適用于多種印制板的結(jié)構(gòu)，他們代表著一種過于復(fù)雜的解決方案。設(shè)計(jì)師通常需要再次將功率開關(guān)安裝在電源通道內(nèi)。由于在定序器和每個轉(zhuǎn)換器之間必須規(guī)定幾條信號線的順序，同時限制功能特性，因此印制板的設(shè)計(jì)是復(fù)雜的，而且定序器可能比他們控制的轉(zhuǎn)換器更昂貴。

　　隨著許多制造商推出新一代POL轉(zhuǎn)換器，這種情況已經(jīng)開始明顯的改變，新一代POL轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)置的電源定序裝置而且電流輸出值介于6A至30A之間。

　　在電源轉(zhuǎn)換過程中必須控制一個或更多的板載電源模塊。為了用常規(guī)的商用電源模塊實(shí)現(xiàn)同步定序，印制板設(shè)計(jì)師需要安裝附加的元件并需要詳細(xì)了解模塊的輸出值調(diào)節(jié)電路（制造商一般不供應(yīng)）。

　　所有PTH系列兼容POLA的電源模塊均內(nèi)置了自動跟蹤（Auto-Track）定序能力，它克服了這些問題，它允許在上電和斷電的過程中精確地控制其輸出電壓，而外部僅采用了三個元件?？刂菩盘柨梢詠碜杂谥餍辈òl(fā)生器，另外一個電源模塊的輸出電壓即模塊自身的內(nèi)部斜波。圖3示出了一種采用了該模塊內(nèi)部斜波裝置的典型的電路。

　　自動跟蹤（Auto-Track）定序的工作方式是非常簡單的。每個PTH系列電源模塊均具有一個特別的控制管腳，稱之為“Track”(軌道)。每個模塊的輸出電壓精確地跟蹤施加到其Track（軌道）引腳上的電壓（從0V到其設(shè)定值）。一旦Track腳上的電壓升高越過模塊的設(shè)定值，輸出電壓將保持在該設(shè)定值。

　　上電順序的初始化是將一個邏輯高電平信號加到如圖3所示的晶體管，同時將所有Track腳接地約10ms以便讓模塊完成軟啟動初始化。在這段時間過程中，所有相關(guān)的模塊輸出值均為0V。這段時間過后，晶體管可以關(guān)閉了，從而允許Track控制電壓自動朝著模塊輸入電壓上升。每個模塊的輸出電壓將同步上升，直至達(dá)到各自的設(shè)定值，如圖4所示。

　　斷電是通過將Track控制電壓降低到0V來完成的。唯一的限制是電源模塊必須具有一個正確的輸入電壓直至完成斷電定序，而且Track控制電壓下降速度不得快于自動跟蹤（Auto- Track）的1伏/毫秒（V/ms）的上升速度。

　　Artesyn科技現(xiàn)在已經(jīng)將15個PTH系列的非隔離負(fù)載點(diǎn)DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊投放到市場，這些模塊均以自動跟蹤（Auto-Track）電源定序?yàn)樘厣?，并且完全與該聯(lián)盟其它成員提供的POLA產(chǎn)品兼容。這些模塊具有寬范圍的輸入/輸出電壓，而且在6A至30A范圍內(nèi)可以選擇9種電流額定值，從而使夠十分容易和十分劃算地為多軌印制電路板實(shí)施高級電源定序方案。簡單比較一下圖2中分立電路的元件數(shù)量和圖3中的自動跟蹤（Auto-Track）結(jié)構(gòu)，能得到一個印象：這種電源定序的新方法提供了潛在的節(jié)省。

應(yīng) 用

　　Artesyn科技的電源定序應(yīng)用技術(shù)支持用戶開發(fā)電訊和無線架構(gòu)系統(tǒng)。盡管專門應(yīng)用仍然擁有專有權(quán)的，但有電源定序能力的POL轉(zhuǎn)換器解決了其眾多用戶的需要，如Alcatel(阿爾卡特), Cisco（思科）, Ericsson(愛立信), Lucent（朗訊）, Motorola（摩托羅拉）, Nortel（北電）和 Siemens（西門子）等。