電源設計人員正在使用靈活的電源監控、排序和調整電路來管理其系統。本文討論原因和方法。

多年來，對越來越多的電源電壓軌進行監測和控制對于電子系統的安全性、經濟性、耐用性和正常運行至關重要，尤其是對于采用微處理器的系統。確定電壓軌是高于閾值還是在工作窗口內，以及該電壓相對于其他電壓軌是否以正確的順序上電或關斷，對于操作可靠性和安全性至關重要。

有許多方法可以解決這個問題的各個方面。例如，使用精密電阻分壓器、比較器和基準電壓源的簡單電路可用于確定電源軌上的電壓是高于還是低于某個電平。在ADM803等復位發生器中，這些元件與延遲元件相結合，以在上電時保持微處理器、專用IC（ASIC）和數字信號處理器（DSP）等器件處于復位狀態。這種級別的監控足以滿足許多應用的需求。

在需要監控多個電源軌的情況下，多個器件（或多通道比較器及其相關電路）被并聯使用，但越來越多的機會要求監控IC不僅僅是簡單的閾值比較。

例如，考慮電源排序的常見要求：FPGA（現場可編程門陣列）制造商可能規定，3.3 V內核電壓必須在20 V I/O（輸入/輸出）電壓之前5 ms施加，以避免器件上電時可能造成的損壞。滿足這種排序要求對于可靠性而言可能與將器件的電源電壓和溫度保持在規定的工作限值內一樣重要。

此外，許多應用中的電源軌數量也急劇增加。復雜、昂貴的系統，如 LAN 交換機和蜂窩基站，通常具有具有 10 個或更多電壓軌的線卡;但即使是對成本敏感的消費類系統，如等離子電視，也可能有多達15個獨立的電壓軌，其中許多可能需要監控和排序。

許多高性能IC現在需要多個電壓。例如，獨立的內核和I/O電壓是許多器件的標準配置。在高端，DSP可能需要每個器件多達四個獨立的電源。在許多情況下，多個多電源器件可以在包含FPGA、ASIC、DSP、微處理器和微控制器（以及模擬組件）的單個系統中共存。

許多器件共享標準電壓電平（例如 3.3 V），而其他器件可能需要特定于器件的電壓。此外，特定的標準電壓電平可能必須在許多地方獨立提供。例如，獨立的模擬和數字電源，如3.3 V模擬和 3.3 V數字，可能是必需的。為了提高效率（例如，以數百安培運行的存儲器軌）或滿足排序要求（3.3 V），可能需要多次產生相同的電壓一個和 3.3 VB在不同時間由單獨的設備需要）。所有這些因素都會導致電壓源的擴散。

電壓監控和排序可能會變得相當復雜，特別是如果系統必須設計為支持上電時序、省電時序以及對工作期間不同點各種電源軌上所有可能的故障條件的多重響應。中央電源管理控制器是解決此問題的最佳方法。

隨著電源電壓數量的增加，出現問題的可能性要高得多。風險與電源數量、元件數量和系統復雜性成正比。外部因素也會增加風險。例如，如果在初始設計時主ASIC沒有完全表征，則電源設計人員必須致力于硬接線電壓監控閾值和時序，這些閾值和時序可能會隨著ASIC規范的開發而發生變化。如果要求發生變化，可能需要修改 PC 板，這顯然會影響進度和成本。此外，某些器件的電源電壓規格在開發過程中可能會發生變化。在這種情況下，一種隨時調整電源的方法對任何中央電力系統管理者都是有用的。事實上，監控、排序和調整此類系統的電壓軌的靈活性至關重要。

評估所選故障保護和時序的魯棒性可能是一項艱巨的工作，因此簡化此過程的器件將加快電路板評估并縮短上市時間。故障記錄和數字化電壓和溫度數據是有用的功能，無論是在現場還是在從早期PCB開發到原型評估的所有設計階段。

基本監控

圖1顯示了使用ADCMP354比較器和基準電壓源IC監控多個電壓軌的簡單方法。每個電源軌使用單獨的電路。電阻分壓器可降低電壓軌，為每個電源設置一個欠壓跳變點。所有輸出連接在一起以產生一個公共電源良好信號。

圖1.基于比較器的欠壓檢測，具有用于三電源系統的通用電源就緒輸出。

基本排序

圖2顯示了如何使用分立元件實現基本時序控制，使用邏輯閾值而不是比較器。12V 和 5V 電源軌已在其他地方產生。必須引入時間延遲以確保系統正常運行。這是通過使用電阻-電容 （RC） 組合緩慢斜坡使 n 溝道 FET 上的柵極電壓與 5V 電源串聯來實現的。選擇 RC 值以確保在 FET 達到其電壓閾值并開始導通之前有足夠的時間延遲。3.3 V和1.8 V電源軌由低壓差（LDO）穩壓器ADP3330和ADP3333產生。這些電壓的導通時間也由RC排序。無需串聯FET，因為RC驅動每個LDO的關斷（/SD）引腳。選擇 RC 值以確保足夠的時間延遲 （t2,t3），在 /SD 引腳上的電壓攀升到其閾值以上之前。

圖2.四電源系統的基本離散時序控制。

這種簡單、低成本的電源排序方法占用的電路板面積很小，在許多應用中完全可以接受。它適用于成本是主要驅動因素、時序要求簡單且時序電路精度不重要的系統。

但許多情況需要比RC滯后電路更高的精度。此外，這種簡單的解決方案不允許以結構化方式處理故障（例如，5V 電源故障最終會導致其他電源軌下降）。

使用 IC 進行排序

圖3顯示了如何使用ADM6820和ADM1086電源排序IC在類似系統中精確可靠地對電源軌進行時序控制。內部比較器檢測電壓軌何時超過精確設定的水平。輸出在可編程導通延遲后置位，使能ADP3309和ADP3335穩壓器按所需順序排列。閾值由電阻比確定;延遲由電容器建立。

圖3.對帶有監控IC的四電源系統進行排序。

提供多種電源排序IC。一些器件具有可用于直接啟用電源模塊的輸出，并提供多種輸出配置。有些包括板載電荷泵電壓發生器。這對于需要對上游產生但缺少高壓源（如 12V 電源軌）來驅動 n 溝道 FET 柵極的電源軌進行排序的低壓系統特別有用。其中許多器件還具有使能引腳，允許來自按鈕開關或控制器的外部信號在需要時重新啟動序列或關閉受控電源軌。

集成電源系統管理

一些系統具有如此多的電源軌，以至于使用大量IC并使用電阻和電容設置時序和閾值電平的分立方法變得過于復雜和昂貴，并且無法提供足夠的性能。

考慮一個具有八個電壓軌的系統，它需要復雜的上電順序。必須監控每個電源軌的欠壓和過壓故障。發生故障時，可以根據故障機制關閉所有電壓，或者啟動斷電序列。必須根據控制信號的狀態采取措施，并且必須根據電源的狀態生成標志。使用分立器件和簡單IC實現如此復雜的電路可能需要數百個單獨的元件、大量的電路板空間和巨大的綜合成本。

在具有四個或更多電壓的系統中，使用集中式設備來管理電源可能是有意義的。這種方法的一個示例如圖 4 所示。

圖4.適用于八電源系統的集中排序和監控解決方案。

集中監控和排序

這ADM106x超級時序控制器?家庭繼續使用比較器，但有一些重要的區別。每個輸入專用于兩個比較器，因此可以實現欠壓和過壓檢測，從而為ADP1821和ADP2105DC-DC轉換器以及ADP1715 LDO創建的電源軌提供窗口監控。欠壓故障是電源軌上電前的正常狀態，因此此指示用于排序。過壓情況通常表示嚴重故障（例如FET或電感短路），需要立即采取行動。

電源數量較高的系統通常具有更高的復雜性，因此具有更嚴格的精度限制。此外，在1.0 V和0.9 V等較低電壓下，使用電阻設置精確閾值變得具有挑戰性。雖然在 10V 電源軌上可以接受 5% 的容差，但在 1V 電源軌上，此容差通常不足。ADM1066允許將輸入檢波器比較器閾值設置在1%的最壞情況下，與電壓（低至0.6 V）無關，并在整個器件溫度范圍內設置。它為每個比較器增加了內部毛刺濾波和遲滯。其邏輯輸入可用于啟動上電序列、關斷所有電源軌或執行其他功能。

來自比較器組的信息，輸入到強大而靈活的載物臺機芯中，可用于各種目的：

測 序：當最近使能電源的輸出電壓進入窗口時，可以觸發延時以接通上電序列中的下一個電源軌。復雜的時序，具有多個上電和斷電序列，或者上電和斷電的序列截然不同。

超時：如果已啟用的電源軌未按預期亮起，則可以采取適當的操作過程（例如生成中斷或關閉系統）。純模擬解決方案將簡單地掛在序列中的該點。

監測：如果任何電源軌上的電壓移出預設窗口，則可以采取適當的行動方案 - 具體取決于發生故障的電源軌、發生的故障類型和當前工作模式。具有五個以上電源的系統通常價格昂貴，因此全面的故障保護至關重要。

板載電荷泵用于產生約12 V柵極驅動，即使最高可用系統電壓低至3 V，也允許輸出直接驅動串聯n溝道FET。附加輸出使能或關斷DC-DC轉換器或穩壓器，允許輸出在內部上拉至其中一個輸入或板載調節電壓。輸出也可以置位為漏極開路。輸出也可用作狀態信號，例如電源良好或上電復位。如果需要，狀態 LED 可以直接從輸出驅動。

供應調整

除了監控多個電壓軌并為復雜時序控制提供解決方案外，ADM1066等集成電源管理器件還提供臨時或永久調整各個電源軌電壓的工具。DC-DC轉換器或穩壓器的電壓輸出可以通過調整該器件的微調或反饋節點上的電壓來改變。通常，模塊輸出和接地之間的電阻分壓器在微調/反饋引腳上設置標稱電壓。這反過來又設置了一個標稱輸出電壓。涉及切換額外電阻或控制反饋環路中的可變電阻的簡單方案將改變微調/反饋電壓，從而調整輸出電壓。

ADM1066配備數模轉換器（DAC），可直接控制微調/反饋節點。為實現最高效率，這些DAC不在地和最大電壓之間工作;相反，它們在一個以標稱微調/反饋電平為中心的相對狹窄的窗口內工作。衰減電阻的值隨DAC的每次LSB變化而縮放功率模塊輸出的增量變化。這種開環調整提供的裕量增大和裕量減小電平與基準電壓源電路中的數字電阻開關所獲得的水平相當，并將輸出調整到類似的精度。

ADM1066還包括一個用于測量電源電壓的12位模數轉換器（ADC），因此可以實現閉環電源調整方案。在給定的DAC輸出設置下，ADC對電源模塊的電壓輸出進行數字化處理，并在軟件中與目標電壓進行比較。然后可以調整DAC，以校準電壓輸出盡可能接近目標電壓。這種閉環方案為電源調整提供了一種非常精確的方法。使用閉環方法時，外部電阻的精度完全無關緊要。在圖4中，DC-DC4的輸出電壓由其中一個片內DAC調節。

供應調整方案有兩個主要用途。第一種是電源裕量調節的概念，即測試系統對在設備指定電源電壓范圍的裕量下操作電源的響應。數據通信、電信、蜂窩基礎設施、服務器和存儲區域網絡設備的制造商在交付給最終客戶之前，必須對其系統進行嚴格的測試。系統中的所有電源都將被指定為以一定的容差（例如，±5%，±10%）運行。裕量允許將板載所有電源調整到容差范圍的高端和低端，并進行測試以確保正確操作。具有電源調節功能的集中式電源管理器件可用于執行此裕量測試，同時最大限度地減少對額外組件和PCB面積的需求，以執行僅在制造商測試現場進行裕量測試期間只需要一次的功能。

通常需要四角測試，即在設備的工作電壓和溫度范圍內進行測試，因此ADM1062除了閉環電源裕量調節電路外，還集成了溫度檢測和回讀功能。

電源調整方案的第二個用途是補償現場的系統電源變化。造成這種變化的原因有很多。短期內，電壓隨著溫度的變化而略有變化是很常見的。從長遠來看，某些元件值可能會在產品的使用壽命內略有漂移，這可能導致電壓漂移。ADC和DAC環路可以定期（例如，每10秒、30秒或60秒）與軟件校準環路一起激活，以保持電壓保持在應有的位置。

靈活性

ADM1066具有板載非易失性存儲器，允許根據需要多次重新編程，同時系統的排序和監控需求在開發過程中不斷發展。這意味著硬件設計可以在原型過程的早期完成，并且可以隨著項目的進展進行監控和排序的優化。

數字溫度和電壓測量等功能簡化并加快了評估過程。裕量工具將允許在開發周期中調整電壓軌。因此，如果關鍵的ASIC、FPGA或處理器也在開發中，并且隨著新芯片修訂版的發布，電源電壓電平或排序要求處于不斷變化的狀態，則可以通過軟件GUI進行簡單的調整。因此，電源管理器件可以在幾分鐘內重新編程，以考慮這些變化，而無需物理更改電路板上的組件，或者更糟糕的是重新設計硬件。

結論

電壓軌數量的增加和電源排序的出現提高了對各種設備和系統的電源設計人員的要求，從筆記本電腦、機頂盒和汽車系統到服務器和存儲、蜂窩基站以及互聯網路由和交換系統。更嚴格的測試程序、更高水平的信息收集以及快速簡單的可編程性也令人感興趣，尤其是在中高端系統中。為了提高魯棒性和可靠性，并增加這些重要的新功能，有許多新的電源管理集成電路可用于幫助安全、高效、最小電路板面積解決這些問題，同時縮短上市時間。

審核編輯：郭婷