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關(guān)于電源時序管理的分析和介紹

立錡科技 ? 來源:djl ? 2019-10-10 14:48 ? 次閱讀

通常情況下,生產(chǎn)測試都是多臺機子連接起來才能完成的,用于測試的設(shè)備都放在手推車上,測試對象則整齊地放在桌子上,車子推到哪里,就在哪里連線、開機、測試、關(guān)機、拆線,然后再移動到下一個工位。在所有的工作中,連線和拆線是最辛苦的,因為為了可靠的緣故,所有的連接器都是圓形航空插頭座,每次連接、拆除都需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)很多圈,因而手被累得實在是很辛苦。當年的這種工作給我?guī)硪恍┝晳T,我用的手機充電線從來不會壞掉,因為每一次的插拔都是下意識地從插頭根部著力,軟性的部分不會受力,因而也不易受損。

連線和拆線的過程都是在關(guān)機情況下進行的,開機和關(guān)機則有嚴格的順序,接收信號的機子需要先開機、后關(guān)機,發(fā)出信號的機子則要后開機、先關(guān)機。舉例來說,假如一臺設(shè)備連接了顯示終端,開機的時候就一定是先開顯示終端,然后再開主機,關(guān)機時則要反過來。因為這個緣故,后來PC上出現(xiàn)可以熱插拔的設(shè)備時,對我來說便是一件很新奇的事情,由此帶來的自由也還會常常讓我想起過去的不自由。

從表面上看,我早期所接觸的這些設(shè)備都是很復雜的,它們需要被安裝在大型的機箱、機柜中,但在實際上,其中的電路與今日的電子產(chǎn)品相比要簡單許多,只不過所用器件的集成度很低,每一顆IC里所包含的電路極少,但封裝卻很大,所以需要占用大量的空間。一臺設(shè)備要實現(xiàn)完整的功能,就需要使用很多塊板子,板子之間再用線扎和連接器連接起來。每個板子上都有很多IC,但大多是很基本的邏輯器件,使用這種器件設(shè)計產(chǎn)品,效率很低,但由此帶來的訓練還是很值得的。有時候,我會對集成度比較高的器件進行反向推理,從而基本知道它的內(nèi)部是如何實現(xiàn)的,其中最典型的是一款型號為MC6845的器件,這顆器件因為在早期的PC中被廣泛使用而出名,我們使用它則是為了設(shè)計一款彩色CRT顯示控制器的終端,最初的應(yīng)用電路不是我設(shè)計的,但在我對它的內(nèi)部邏輯進行推理以后提前發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計中的邏輯錯誤,為后來的順利調(diào)試打下了基礎(chǔ),這個工作也為我后來在PC上對一款視窗軟件進行漢化帶來了幫助,相應(yīng)的思想又在后來的工業(yè)應(yīng)用中被成功利用,因為對一樣東西的深入理解能在再次遇到時給你帶來很大的方便。

在設(shè)備與設(shè)備之間進行連接的時候,加電的順序是很重要的,這個概念可以被稱為電源時序管理。上一回,我們說到用RT9266+RT9166為早期的MP3播放器供電的時候,RT9266從電池取電輸出3.3V,再用RT9166得到2.5V或1.8V,這樣的設(shè)計基本上利用的是轉(zhuǎn)換器自身的自然特性,沒有很嚴格的時序管理,這樣的做法,某些情況下是可行的,某些時候可能就會遇到問題,它們的電流消耗會比正常情況下的大,而功能則可能不正常。

有很多數(shù)字器件的輸入級可能就是一個反相器,它是由一顆P-MOSFET和一顆N-MOSFET構(gòu)成的,它們的柵極連接在一起成為輸入端,兩者的漏極連接在一起成為輸出端,兩個源極則是電源VDD和地GND/VSS的連結(jié)點。當其輸入端的電壓處于某個區(qū)間時,可使兩顆MOSFET同時導通,如果在此時加上電源,VDD和VSS之間就直接貫通形成電流了。下圖是對這段話的圖形化描述:

關(guān)于電源時序管理的分析和介紹

提供給這個輸入端的信號,既可能是噪聲,也可能是來自前級設(shè)備的輸出。為了防范這樣的問題發(fā)生,設(shè)計者需要在此輸入端上采取一些措施來進行防范。

有的器件的輸入端會有不得高于VDD+0.3V這樣的要求,這樣的器件在遇到本身沒加電而前級已經(jīng)加了電的情況時,輸入級很容易就壞掉了,或是表現(xiàn)出某種不正常的現(xiàn)象,這種狀況在類似RT9266這樣的器件中也存在。先看看規(guī)格書上的電路圖:

關(guān)于電源時序管理的分析和介紹

圖中,EN端和VDD端是連接在一起的,這樣它們的電壓就會一起變化。假設(shè)你現(xiàn)在要對它進行外部控制,EN端就需要用其他信號源來驅(qū)動,假如這時候送到EN端的高電壓先于VDD到達,或是它在某個時候會高于VDD電壓一定的值,位于IC內(nèi)部對芯片進行保護的二極管就會導通,電流將從EN端流向VDD端,這顆芯片通常就不能正常工作了。如果這樣的狀況一定會發(fā)生,必須在EN信號路徑上串入一只比較大的電阻進行電流限制,有的時候還需要增加一只電容,故意把提供給EN的信號延遲。再來看看規(guī)格書,你就知道EN端的電壓不能超過VDD+0.3V的規(guī)定確實是存在的,如下圖中信息所示:

關(guān)于電源時序管理的分析和介紹

但是在實際中有多少人會關(guān)注這樣的內(nèi)容呢?我對此真的沒有多少信心,因為我自己也可能忘了這一點,希望看到這樣內(nèi)容的你以后會對此有所關(guān)注。

MOS器件的工藝結(jié)構(gòu)本身也會帶來一些問題,下圖來自一家IC廠商的網(wǎng)站,圖中從CMOS反相器的物理結(jié)構(gòu)開始,將其中的寄生電路畫了出來,最后用等效電路的形式給出了latch-up問題發(fā)生時的電路結(jié)構(gòu)以及其中的電流流動情況。由于最后的電路是單向可控硅的結(jié)構(gòu),自鎖以后的電路故障是無法消除的,唯有斷電一法可以切斷電流。

關(guān)于電源時序管理的分析和介紹

我覺得好玩的是這個網(wǎng)站在做了這么多工作的情況下,最后給出來的電路工作原理描述上卻出現(xiàn)了錯誤(我認為的),所以就不照搬它的文字部分了,但我自己也不想做過多的敘述,感興趣的讀者自己進行吧。如果我都做完了,讀者可能就不需要做任何努力了,我覺得這對培養(yǎng)讀者的能力是不好的,但是這與“作者不努力,編輯就得努力;編輯不努力,讀者就得努力”所描述的狀況又是不一樣的,因為我的目的是要讓讀者讀了之后能夠成長,所以你可以把這看作是現(xiàn)場作業(yè),至于要不要做,你要自己做選擇。

像這種出現(xiàn)在接口上的問題,使用多個工作電壓的系統(tǒng)級芯片也特別容易出現(xiàn),因為使用不同電壓供電的各部分之間的接口部分在加電、斷電過程中就會有同樣的現(xiàn)象。所以,對于復雜的系統(tǒng)來說,關(guān)注電源時序是必須的。在我從事電源管理以后所接觸的供電對象的規(guī)格書中,液晶顯示屏提及電源時序要求的資料被我見到的次數(shù)是最多的,但可惜我已經(jīng)很久沒有接觸了,所以想在這里提供一個范例的想法難以實現(xiàn),請讀者在自己的工作中去注意吧。

很多簡單的電源轉(zhuǎn)換器只是完成電壓轉(zhuǎn)換,用這種器件時進行時序管理會很辛苦。增加了使能控制的器件就會簡單一點,像上述的RT9266就有使能端EN,可以用它完成開關(guān)控制。更進一步的轉(zhuǎn)換器會有Power Good信號輸出,它能在轉(zhuǎn)換器輸出正常時給出一個信號去通知別的電路,讓它們可以據(jù)此同步工作,下圖是一個例子:

關(guān)于電源時序管理的分析和介紹

RT2875是符合車規(guī)AEC-Q100規(guī)范的Buck器件,可在4.5V-36V輸入下工作,最大負載能力為3A,我們可以用EN端的高電平讓它進入工作狀態(tài),當其輸出電壓達到設(shè)定電壓的90%以上時,PGOOD端就可以變成高電平,它又在輸出電壓下降到設(shè)定值的85%以下時變成低電平,設(shè)計者可以用它去控制另外一組電源的工作。實際上,絕大部分使用Power Good信號的器件,其內(nèi)部都是漏極開路的MOSFET開關(guān),只要外部加上上拉電阻就可以將其開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電壓的不同,因而很方便使用,IC內(nèi)部的具體實現(xiàn)方法可在下圖中看出來。

關(guān)于電源時序管理的分析和介紹

當使用多組電源時,每一組的使能信號、Power Good信號都需要進行處理,這活也實在是麻煩,所以,高度集成化的系統(tǒng)級電源管理器件(PMIC)會把這部分功能也集成起來,以便簡化設(shè)計工作,有的芯片甚至可以有多種不同的時序可供選擇,從而可以擴大器件的適用范疇。對于這樣的設(shè)計,RT2070可以作為一個范例來介紹。

RT2070是針對攝像頭應(yīng)用的多輸出IC,內(nèi)部含有3組Buck、1組LDO和一個負載開關(guān),可用I2C總線進行控制,通過車用IC的規(guī)范AEC-Q100 Grade 1認證,對抗惡劣環(huán)境的能力相當了得。想一想現(xiàn)在很流行的自動駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS),你就知道攝像頭在車上的使用會多么普遍地被使用了,但這樣的應(yīng)用又不能顯得太突兀,因而提供給它們的空間都非常狹小,再加上車輛的使用環(huán)境通常都很惡劣,所以要求它可在-40℃~+125℃的環(huán)境溫度下工作。下圖是RT2070的應(yīng)用電路圖:

關(guān)于電源時序管理的分析和介紹

它的各通道之間的時序關(guān)系可有6種選擇,通過SEQ端外接電阻的值就可指定一種上電過程中確定的時序,以后又可通過I2C總線進行新的設(shè)定。一個典型的時序關(guān)系是這樣的:

關(guān)于電源時序管理的分析和介紹

如果出現(xiàn)了意外故障,它還有特定的時序?qū)ο到y(tǒng)進行保護,下圖對此進行了示意:

關(guān)于電源時序管理的分析和介紹

預(yù)先定義好的時序在實際中呈現(xiàn)時,可在示波器上看到下圖所示的實際波形:

關(guān)于電源時序管理的分析和介紹

這樣的過程的實現(xiàn),是靠IC內(nèi)部的大量邏輯判斷完成的,下圖就是器件邏輯部分的主體流程:

關(guān)于電源時序管理的分析和介紹

實現(xiàn)保護的邏輯部分看起來會更復雜一點,如下圖所示,是對上圖的補充。

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