探索CN - 0190：多功能通用电源模块的设计与应用

在现代电子系统中，电源模块的设计至关重要，它直接影响着整个系统的性能和稳定性。今天，我们将深入探讨Analog Devices的CN - 0190通用电源模块，它为多电压电源系统提供了一个参考解决方案，能够满足各种复杂系统的电源需求。

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一、模块概述

CN - 0190模块是一个功能强大的通用电源模块，可接受6V至14V的宽输入电压范围。它采用了开关调节器和线性调节器的优化组合，在满载输出时整体效率约为78%，输出功率约为25W。该模块为数字和模拟电路提供了大多数典型的电源轨，同时具备过压、欠压和过流检测与保护功能，还能实现电源排序和裕度控制。

二、关键器件介绍

模块中使用了多种关键器件，每种器件都有其独特的功能和应用场景：

1. ADP1872：多功能电流模式同步降压控制器，具有出色的瞬态响应、稳定性和电流限制保护功能，适用于通用数字电路。
2. ADP1864：紧凑型、低成本的恒频电流模式降压DC - DC控制器，可调节低至0.8V的输出电压，精度为±1.25%，适用于I/O电压。
3. ADP2114：多功能同步双路降压开关调节器，可满足广泛的负载点需求，两个PWM通道可配置为独立输出或交错输出，减少输入纹波电流。
4. ADP2300和ADP2301：紧凑型恒频电流模式降压DC - DC调节器，集成了功率MOSFET，适用于多种应用。
5. ADP2108：高效、低静态电流的降压DC - DC转换器，仅需三个外部组件，具有出色的稳定性和瞬态响应。
6. ADP1741：低压差（LDO）CMOS线性调节器，可提供高达2A的输出电流。
7. ADP1613：升压DC - DC开关转换器，可提供高达20V的输出电压。
8. ADP151：超低噪声（9µV）、低压差线性调节器，适用于模拟或混合信号系统。
9. ADP121：低静态电流、低压差线性调节器，可提供高达150mA的输出电流。
10. ADM1066：超级序列器，提供单芯片解决方案，用于电源监控、排序和裕度控制。
11. ADM1178：热插拔控制器和数字电源监控器，提供输入电源的过压和过流检测与保护。
12. ADCMP670：双路、低功耗、高精度比较器，用于过压和欠压检测。
13. ADM1170：热插拔控制器，用于过流检测。
14. AD628：高共模电压、可编程增益差分放大器，用于过流检测。
15. ADCMP350：带片上0.6V参考的比较器，用于过流检测。

三、输入保护电路设计

1. 输入电压极性反转保护

输入电压极性反转保护由P沟道MOSFET Q1实现。在正常正输入电压下，当SYSTEM_POWERIN和SYS_GND之间的电压为正且大于栅源阈值电压时，Q1（SI7461DP）导通。如果输入为负（极性反转故障），Q1将关闭，防止主电路损坏，其功能类似于二极管。由于输入电流高达6.67A，P沟道MOSFET的低导通电阻可将功耗降至最低。

2. 过流检测与保护

通过ADM1178热插拔控制器/数字电源监控器测量15mΩ电流检测电阻R2上的电压降来检测输入电流。ADM1178内部的FET驱动控制器通过调节N沟道MOSFET Q2的栅极电压来调节最大负载电流。当检测电阻上的电压超过100mV时，栅极驱动电压将限制通过Q2的电流，从而保护下游电路。

3. 过压和欠压检测与保护

ADCMP670 - 1是一个双路、低功耗、高精度比较器，内部有400mV参考。两个比较器和外部MOSFET Q4、Q5配置为窗口比较器。通过分压器R10 - R11和R12 - R13分别设置5.54V和14.35V的低、高电压阈值。如果输入电压超出窗口范围，相应的输出将变高，Q4或Q5导通，拉低AD1178的ON引脚，从而关闭Q2。

4. 过流、欠压和过压计算

• 过流阈值：(Overcurrent Threshold = 100 mV ÷ 15 mΩ = 6.67 A)
• 电流检测电阻功耗：(Power in Current Sense Resistor = 100 mV × 6.67 A = 0.667 W)
• 高电压阈值：(High Voltage Threshold = 0.4 V(R10 + R11) / R11 = 14.35 V)
• 低电压阈值：(Low Voltage Threshold = 0.4 V(R12 + R13) / R11 = 5.54 V)

5. IC保护技术

每个电源IC都有一些保护功能，如欠压锁定（UVLO）、热关断（TSD）和过流保护（OCP），可防止IC在异常情况下损坏。

四、电源轨设计

模块提供了12个电源轨，包括基于同步降压拓扑的3.3V(2A)、1.5V(1A)、1.8V(1A)、1.2V(0.5A)；基于非同步降压拓扑的5.0V(1A)、2.5V(1A)；通过反相降压 - 升压拓扑从+5.0V(1A)轨生成的 - 5V(0.2A)轨；通过Sepic - Cuk拓扑生成的正、负模拟轨{Px,Nx}(0.1A)；以及由LDO提供的三个轨。每个轨都有独立的电源指示灯。

五、设计实例

1. 3.3V(2A)轨设计

使用ADP1872同步降压控制器，电路可分为三部分：A部分为ADP1872生成偏置电压；B部分为使能控制；C部分为开关调节器部分。ADP1872的偏置电压由4.7V齐纳二极管和NPN缓冲晶体管提供。使能控制通过N沟道MOSFET Q9实现，Q8作为反相器，使正逻辑信号能使能ADP1872。C部分的设计使用ADIsimPower工具生成。

2. 正、负模拟轨{Px,Nx}(0.1A)设计

使用ADP1613升压控制器，基于Sepic - Cuk拓扑。输出电压可通过改变反馈路径中的电阻值设置为四种不同的对称电压。为了减少输出纹波，输出电容增加到10µF，并使用外部LC滤波器进行噪声抑制。通过240mΩ分流电阻R76和R77进行过流检测。正输出轨的过流检测使用ADM1170热插拔控制器，负输出轨的过流检测使用AD628差分放大器和ADCMP350比较器。

3. - 5V(0.2A)轨设计

使用ADP2301非同步降压调节器，采用反相降压 - 升压拓扑。该电路未在ADIsimPower中直接支持，但在应用笔记AN - 1083中有详细描述。通过改变反馈电阻的值可生成其他负电压，但需确保|VIN| + |VOUT|小于ADP2301的最大20V输入电压。

六、电源监控、排序和裕度控制

1. 电压监控

ADM1066超级序列器提供单芯片解决方案，用于多电源系统的电源监控和排序。系统输入电源连接到ADM1066的VH，除 - 5V(0.2A)外的所有电源轨通过电阻分压器衰减后直接连接到VPx、VXx和AUXx。ADM1066有多达10个电源故障检测器（SFDs），可检测欠压、过压或窗口外故障。所有电源轨的监控使用窗口外故障准则，阈值设置为VOUT + 5%和VOUT - 5%。

2. 排序控制策略

电源路径最多有三个阶段。排序和控制策略如下：

• 依次开启第一、二、三阶段，然后检查每个轨的电压。
• 如果某些轨在设置时出现故障，关闭同一阶段的所有轨，返回检查上一阶段的轨。如果上一阶段的轨正常，再次开启本阶段的所有轨。
• 所有轨成功开启后，监控所有轨。如果任何轨出现故障，关闭所有三个阶段的所有轨，返回第一步并开启第一阶段的轨。

3. 3.3V(2A)电压轨的裕度控制

ADM1066中的6个DAC用于实现闭环裕度系统，通过DAC输出改变DC - DC转换器的反馈节点或参考来调整电源。DAC1通过R85、C82和R89连接到3.3V(2A)轨中ADP1872的反馈，允许3.3V(2A)输出在VOUT_3.3(2A) - 0.2V至VOUT_3.3V(2A) + 0.2V之间连续调整。

七、性能测试

1. 效率测试

测量了每个开关电源的效率与负载电流的关系，以及模块在输入电压为10V、输出满载时的整体效率。结果表明，模块在不同输入电压下的整体效率在77.1%至80.6%之间。

2. 输出电压纹波测试

对所有开关模块输出进行了纹波测量，结果总结在表5中。纹波测量高度依赖于电路布局、示波器带宽设置、探头带宽和探头连接方法。

3. 瞬态响应测试

FPGAs、DSPs等数字IC通常会对电源施加瞬态电流负载，因此电源电压在这些条件下保持在规定范围内非常重要。测试了开关电源的瞬态响应，结果表明在某些情况下，阶跃电流高于单个轨的输出电流，因为这些轨驱动多个阶段。

八、常见变化

模块还有一些常见的变化，如ADM1275可用于热插拔控制、过流、欠压和过压检测与保护；ADM1870有内部偏置调节器，可减少外部组件数量；ADP1871和ADP1873是ADP1870和ADP1872的节能模式版本；ADP2116是可配置的双输出负载组合；ADP1621可基于Cuk拓扑生成大电流输出的负轨。

九、电路评估与测试

可以使用6V至14V的直流电源对模块进行简单评估。确保直流电源能满足测试任何电源轨输出能力的要求。ADM1066将根据预设的监控和控制策略开启所有电源轨。也可以设计自己的控制策略，并通过I2C总线连接器JP1将其下载到ADM1066中。测试需要使用一些设备，如Tektronix TDS3034B示波器、Agilent N3302A电子负载模块等。

十、总结

CN - 0190通用电源模块为多电压电源系统提供了一个可靠的解决方案，具有高效、灵活、可配置等优点。通过合理选择和设计电源轨，以及采用有效的保护和控制策略，可以满足各种复杂系统的电源需求。在实际应用中，工程师可以根据具体需求对模块进行调整和优化，以实现最佳性能。你在电源模块设计中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。