多电源系统的监控和时序控制

　　引言

　　现今，电子系统往往具有许多不同的电源轨。在采用模拟电路和微处理器、DSP、ASIC、FPGA的系统中，尤其如此。为实现可靠、可重复的操作，必须监控各电源电压的开关时序、上升和下降速率、加电顺序以及幅度。既定的电源系统设计可能包括电源时序控制、电源跟踪、电源电压/电流监控和控制。有各种各样的电源管理IC可以执行时序控制、跟踪、上电和关断监控等功能。

　　时序控制和跟踪器件可以监控和控制多个电源轨，其功能可能包括设置开启时间和电压上升速率、欠压和过压故障检测、余量微调（在标称电压值的一定范围内调整电源电压）以及有序关断。适合这些应用的IC种类众多，简单的如利用电阻、电容和比较器构成的纯模拟器件，复杂的如高集成度状态机和通过 I2C bus.总线进行数字控制的可编程器件。某些情况下，系统的电压调节器和控制器可能包括关键控制功能。

　　对于采用多个开关控制器和调节器的系统，还有一个考虑是器件以不同开关频率工作时，如何将产生的系统噪声降至最低。常常需要同步调节器的时钟，事实上，如今的许多高性能开关控制器和调节器都可以与外部时钟同步。

　　图1. 电源轨的控制类型

　　电源时序控制和跟踪

　　所谓电源时序控制，是指以指定顺序开关电源。电源时序控制可以简单地基于既定的时间顺序，或者一个电源的开启时间取决于另一个电源何时达到设定的阈值。电源跟踪基于这样一个事实：电源电压无法（一般也不应）瞬间改变。电源系统设计师可以利用这一特性，有效地控制系统中各电源相对于其它电源的斜率。电源跟踪分为三类：同步、比率和偏移。图1中的四幅图对时序控制、同步跟踪、比率跟踪和偏移跟踪进行了比较。

　　图1a中，三个电源按一定的时间顺序开启和关闭。首先是3.3 V电源开启，后续电源的开启和关闭延迟时间取决于应用的需要。如果额定最大值要求电源按一定的顺序激活，这种简单的时序控制技术将能确保有源器件的电压不会超过额定最大值。举例来说，在ADC驱动的放大器上电之前，我们必须保证ADC的电源存在，否则可能损坏ADC的前端。

　　图1b显示同步跟踪情况，所有三个电源同时开启，并且以相同的速率彼此跟踪，因此最低电源电压首先建立，然后是较高的电源电压。电源关断以相反的方式进行。这个例子很好地说明了旧式FPGA或微处理器应用中电源是如何接通的：首先激活较低的内核电压，然后接通辅助或I/O电源。稍后将以Xilinx Virtex-5 FPGA的同步跟踪举例说明。

　　图1c中，电源以不同的斜率上电。如前所述，能够对电源的斜率dV/dt进行控制是一个非常有用的特性，它可以防止电路中去耦电容的大浪涌电流（充电电流）损坏器件。如果不加限制的话，浪涌电流可能大大超过标称工作电流。斜率限制可以防止有源器件闩锁、电容短路、PCB走线受损以及线路保险丝熔断。

　　图1d中，所有电源具有相同的斜率，但其施加时间由预定的失调电压决定。此类跟踪适用于需要限制电源电压差（常常出现在DAC和ADC等混合信号器件的额定最大值部分）的器件，这种方法可以防止器件永久性受损。

　　基于FPGA的设计示例

　　使用FPGA系统的供电是探讨多电源系统处理的活教材。适当的FPGA电源控制对于实现可靠、可重复的设计至关重要，否则可能会在实验室甚至现场引发灾难性故障。大多数FPGA具有多个电源轨，一般表示为 VCCO， VCCAUX， 和 VCCINT. 这些电源分别用于为FPGA内核、辅助电路（如时钟和PLL等）、接口逻辑供电。

　　这些电源轨需要考虑的事项可以分为如下几类：

　　电源轨的时序控制

　　电源轨电压的容差要求

　　电源可能有软启动或斜率控制需求

　　下面以Xilinx Virtex-5系列FPGA的电源要求为例来说明，该系列提供许多特性，包括逻辑可编程能力、信号处理和时钟管理。根据数据手册，Virtex-5的电源上电顺序要求为 VCCINT， VCCAUX， and VCCO. 这些电源相对于地的斜坡时间为200 μs（最小值）至50 ms（最大值）。建议工作条件如表1所示。

　　The 如前所述，Virtex-5要求同步电压跟踪。此外，电源必须在特定的建议工作容差范围内，而且必须在特定的dV/dt范围内上升和下降。

　　But the 但是，FPGA只是一个较大系统的一部分。为了进一步阐明本例，假设有一个高电流、5 V主系统电源轨。为FPGA内核供电的1 V电源具有±5% （±50 mV）的容差，需要提供最高4 A的电流。3 V电源为通用逻辑电源，具有±5%的容差，在本例中需要提供4 A电流以便为FPGA I/O和设计中的其它逻辑器件供电。2.5 V电源为模拟电源，需要提供低噪声的100 mA电流。

　　针对此应用，利用双通道降压控制器ADP1850提供1 V和3 V高电流电源是一个很好的解决方案。ADP1850具有许多特性，其中包括：软启动控制、同步跟踪以及主从电源时序控制。上电时的上升速率由SS1和SS2引脚上的电容控制。本例中，3 V数字电源是主电源。针对2.5 V模拟电源，超低噪声 低压差调节器（LDO） ADP150是绝佳选择，它可以利用ADP1850的PGOOD2信号进行时序控制。图2为该系统的简化框图，显示了时序控制的一般流程，详情参见ADP1850数据手册。

　　图2. Virtex-5的电源系统

　　上例说明了时序控制和跟踪的常见使用方式，可以将其扩展到当今的许多多电源系统，包括基于微处理器的系统和涉及混合信号技术（ADC和DAC）的系统。

　　模拟电压和电流监控（ADM1191）

　　针对要求精密监控多个系统电源电流和电压的高可靠性应用，可以使用简单易行的模拟监控电路。例如， 数字电源监控器，ADM1191 提供1%的测量精度，包括一个用于电流和电压回读的12位ADC、一个精密电流检测放大器以及一路用于提供过流中断的ALERTB输出。图3显示了ADM1191结合一个主控制器（如微处理器或微控制器等）的应用。

　　图3. 简单的电源电压和电流监控器

　　ADM1191通过 I2C 总线与主控制器通信。通过配置A0和A1引脚的逻辑输入电平，同一系统最多可以支持16个器件的寻址。本地控制器可以将测得的电压与电流相乘，从而计算电源轨的功耗。发生过流状况时，ALERTB信号通过一个中断快速通知控制器，这个关于故障状况的快速报警可以帮助保护系统免遭损坏。