微處理器，FPGA，DSP，模數轉換器（ADC）和片上系統（SoC）器件通常從多個電壓軌運行。為了防止鎖定，總線爭用問題和高浪涌電流，設計人員需要按特定順序啟動和關閉這些電源軌。這是一個稱為電源序列控制或電源排序的過程，有許多解決方案可以有效地實現這一目標。

需要電壓排序的復雜器件可能具有用于內核和模擬模塊的電壓軌。需要在數字I/O軌道之前上電。有些設計可能需要不同的序列，但無論如何，需要正確的上電和斷電排序以避免問題。

出現的各種電源定序器，監視器和監控器可提供有效的斜坡up和shutdown也采用了監測電壓和電流水平的技術來計算功率水平，以保護復雜的集成電路和子組件。

本文將解釋電源排序的細節，討論電源序列規范和技術，以及如何應用電源定序器來實現指定的電源軌定時和排序。

為什么擔心電源排序？

FPGA和類似的復雜IC在內部分解為許多電源域。在啟動或關閉設備時，大多數這些IC都需要特定的訂單。例如，FPGA通常分別為核心邏輯，I/O和輔助電路供電。

核心通常包括FPGA的處理器和邏輯基礎。該域的特征在于低電壓和高電流功率分布。由于電壓極低，因此具有非常高的精度要求，并且由于數字負載的動態特性，瞬態性能必須非常好。 I/O代表FPGA的各種輸入和輸出。電壓要求取決于接口類型。通常，電壓電平將大于核心的電壓電平。電流需求取決于I/O的類型，數量和速度。

輔助電路包括FPGA中的噪聲敏感模擬電路，如鎖相環（PLL）和其他模擬電路元素。電流要求相當低，但紋波電壓是一個主要問題，必須盡量減少。模擬部分中的紋波可能導致PLL中過多的抖動和相位噪聲，以及放大器中的寄生響應。

以錯誤的順序啟動每個域的電源可能會導致問題，并可能導致損壞FPGA。考慮I/O部分基于在三態總線上發送和接收數據。 I/O控制由核心處理。如果I/O域在內核之前上電，則I/O引腳以不確定狀態結束。如果外部總線組件通電，則可能存在總線爭用，導致I/O驅動器中出現大電流。因此，核心應該在I/O域之前啟動。請務必參考供應商的FPGA規范，了解推薦的電源應用和關斷順序，以及電源軌之間的最大差分電壓。

同樣，功率運算放大器等設備也有兩種功率域：模擬域和數字域。數字域為放大器的診斷狀態標志供電，用于過溫和過流狀態。數字域還支持放大器啟用/關閉功能。器件規范要求在模擬電源之前對數字域進行上電，以便在模擬域上電之前這些狀態標志有效。這是為了防止可能對設備造成損壞。

電源序列方法

有三種常見類型的多軌測序（圖1）。最常見的是順序，其中首先打開一個電源軌，然后在下一個電源軌打開之前延遲。設置延遲時，第一個軌道在第二個軌道啟動前達到調節。

圖1：三種電源排序技術。無論使用何種技術，電壓必須單調上升。如果失敗，由于啟動期間電壓意外下降，設備可能無法正確初始化。 （圖像來源：Digi-Key Electronics）

第二種測序技術是比例式的。在這種技術中，導軌同時啟動并同時達到其額定電壓。這要求導軌的上升時間與導軌電壓成正比，以便同時實現調節。

某些器件可能無法承受在達到調節之前發生的瞬時電壓差。在此期間，它可能導致器件從一個電源吸收更高的電流。

第三種方法，即同時啟動，最大限度地減小電壓的瞬時差異。該技術減少了這些應力的規模和周期。實現這種方法的一種常用方法是同時上電，其中電壓軌以相同的速率上升，較高的電壓軌（通常是I/O電壓軌）在較低或核心電壓軌達到其最終電壓軌之后繼續

無論采用何種技術，電壓都必須單調上升。如果失敗，由于啟動期間電壓意外下降，設備可能無法正確初始化。

此外，可以應用軟啟動來限制啟動期間的浪涌電流。這種做法限制了啟動期間的電流，允許在啟動時逐漸對電源軌的電容充電。

通常指定電源關閉以與啟動相反的順序發生。

選擇使用的啟動或關閉技術取決于設備的規格。

電源排序示例

同時啟動相對容易設置。最高電壓輸出連接到較低電壓調節器的輸入（圖2）。

圖2：同時啟動通過菊花鏈連接調節器實現5伏和3.3伏電源。 （圖片來源：Digi-Key Electronics）

在此示例中，較高的電壓是5伏電源。這也被送入3.3伏穩壓器。顯示5伏和3.3伏輸出，它們同時上升，最小電壓差達到3.3伏電源的調節點。

順序技術最好使用定序器集成電路，如德州儀器的LM3880。 LM3880是一款簡單的電源序列發生器，可以通過其使能輸入控制多個獨立的穩壓器或電源。

LM3880在使能時會依次釋放其三個輸出標志，并在標志之間有單獨的時間延遲。這將允許連接的電源啟動。在關閉期間，輸出標志將遵循相反的順序。使用德州儀器（TI）的WEBENCH Power Designer軟件（圖3）顯示了使用LM3880的設計實例。這個免費的軟件工具可以幫助工程師設計與電源相關的電路，提供原理圖，材料清單和模擬結果。該圖顯示了原理圖和圖表，使能和三個標志輸出。

LM3880中的延遲時間和順序順序是固定的，但可以使用內置EPROM進行工廠定制。德州儀器（TI）還在LM3881定序器中提供電容可編程延遲。

圖3：用于LM3880設計原理圖和圖表的德州儀器（TI）WEBENCH Power Designer顯示器用于控制外部穩壓器或電源的使能輸入和輸出標志。 （圖像來源：Digi-Key Electronics）

ADI公司的LTC2937定序器/電壓監控器是一種稍微復雜的電源控制器件。與LM3880一樣，LTC2937可以控制多達六個電源或穩壓器的時序和時間延遲（圖4）。

圖4： LTC2937可以控制多達六個電源的序列，同時還可以監控電源軌電壓。可以通過單根線同步多個設備，以控制多達300個電源。 （圖像來源：ADI公司）

除了對多達六個電源軌進行排序外，它還可監控這些電源軌上的電壓，以檢測過壓，欠壓，斷電和失速的電源啟動。如果發生故障，可以對器件進行編程以關閉或重啟電源。錯誤條件記錄到內部EEPROM。 LTC2937可通過I 2 C或SMBus進行編程和控制。 ADI公司的LTpowerPlay GUI軟件支持編程。 EEPROM允許無需軟件即可自主運行。當系統需要六個以上的電源軌時，可以將多個LTC2937鏈接在一起以控制多達300個電源。

對于復雜的多核處理器，FPGA和其他SOC器件，德州儀器提供TPS650860可配置多個 - 電源管理單元。這款單芯片輸入電壓范圍為5.6至21伏，包含三個降壓控制器，三個降壓轉換器，一個吸收或源低壓差（LDO）線性穩壓器，三個低壓輸入LDO，穩壓器和三個負載開關（圖5）。

圖5：德州儀器（TI）TPS650860的功能框圖顯示了13個穩壓輸出，可完全控制其排序。 （圖像來源：德州儀器）

該器件具有13個穩壓輸出，可滿足FPGA或其他負載設備的需求。

降壓轉換器包括內置功率級，降壓控制器需要外部功率級。轉換器和控制器都集成了電壓檢測輸入，用于監控電源輸出，可以控制排序。負載開關包括轉換速率控制，允許編程與這些開關相關的軌道，用于三種順序類型中的任何一種，順序，比例或同時。

TPS650860通過I 2控制 C接口允許通過嵌入式控制器或相關的SoC管理器進行簡單控制。該電源管理IC具有領先的控制靈活性。

結論

有多種方法可以控制電源啟動或關閉的順序，從非常簡單到非常復雜。它們的軌道數量，精度和控制功能范圍以及成本都有所不同。