摘要：該應用筆記討論上電和掉電過程中跟蹤電源電壓所采用的不同技術和架構。例舉了低成本解決方案以及功能更全面、集成EEPROM的可編程解決方案。

對于大功率、多電壓系統，在上電和掉電過程中對電源電壓進行跟蹤是非常必要的。這樣可避免出現導致直接損害的閉鎖條件，或消除在應用中產生故障的潛在損害。

在一般應用中，可采用簡單的分立二極管實現必要的電壓跟蹤；但對于具有兩個及兩個以上電源電壓的復雜系統，二極管方案將不再適用。隨著最先進的ASIC對電流要求不斷增大，系統中需要更大尺寸的外部二極管來應對功耗問題；且對于低成本二極管來說，就意味著具有更高的正向電壓和更大的功耗。

還有另一種簡單易用的電壓跟蹤方案，即采用上電過程中各電壓輸出具有跟蹤功能的調節器。這樣的調節器適用于上電過程，但系統常常還需要在系統關斷時對下降的電源電壓進行跟蹤。關斷過程中的另一個重要考慮因素是需要對大電容進行放電，以便阻止電流不慎流過重要的IC。所以說，在上電和掉電過程中都能夠控制電壓是很重要的。

因此，電源電壓跟蹤不僅在開啟過程中需要，而且還需要決定以多快的速度開啟電源，以及監測到故障情況時如何控制電源電壓。

簡單的低成本方案

也許最簡單的電壓跟蹤方法是同時打開兩個外部導通元件(圖1)。下面的應用電路監視兩路電壓，并且在開啟時啟動電荷泵以便完全導通(開啟)兩個外部n溝道MOSFET。如果輸出開始于一個非供電狀態，兩路電壓在柵-源驅動電壓下幾乎同時開啟。兩個外部MOSFET之間的參數差異可能導致兩路電壓之間存在微小的電壓差，但封裝在一起的雙路n溝道MOSFET的性能差異非常小。


圖1. 該開環電壓跟蹤器采用單個電荷泵來同時開啟兩路電源電壓。

該電路提供了一個成本相對較低的“偽”開環電壓跟蹤器，適用于多種應用場合。當前的一些IC具有電源監視功能，并內置電荷泵以用于實現跟蹤功能。例如， MAX6819/MAX6820電源排序器可監視一路電源電壓，并且當電壓處于規范指標內時，該器件啟動電荷泵電路來開啟外部n溝道MOSFET。

圖2中的示波器測試波形演示了MAX6819通過兩個外部n溝道MOSFET (IRF7380)來控制上升的電源電源VCC1和VCC2。(對應圖1中所示開環配置中的右上角)。電源電壓彼此跟蹤，誤差在200mV以內，該誤差主要由MOSFET的柵-源導通門限決定，但能夠滿足大多數應用場合的要求。


圖2. 開環跟蹤結構(圖1所示)中由系統管理器件MAX6819控制的輸出電壓示波器測試波形。

設計中面臨的問題包括：MOSFET尺寸(以支持最大電流)、漏-源阻抗(決定流過MOSFET的功率損耗)和柵極電荷(決定電壓斜坡擺率)。該電路提供5.5V柵-源驅動電壓，允許在大電流應用中使用由邏輯電平驅動的MOSFET。為了控制浪涌電流和上升速率，可在柵極和地之間增加一個小電容，以便減緩電壓上升斜坡。上電過程中，進行電壓跟蹤直到電壓達到其標稱值。更高的電壓將繼續增加到其穩態值。

掉電過程中進行電壓跟蹤更加困難，因為各輸出電壓之間的電壓差可能導致一個MOSFET比另一個MOSFET稍微早些開始關斷。電源線上的不同容性負載和輸出負載也可能影響兩路電源電壓的斜坡下降速率。為了保證在關斷期間跟蹤每一路電源，可通過在兩條電源線之間連接一個二極管的方法將兩路電源鉗位在一起。二極管的陽極連接至電壓較低的電源上，確保二極管在正常工作狀態下不導通。這種低成本的“偽跟蹤器”易于實現，但其開路結構不能確保全面的調節功能。

旁路電壓跟蹤器

上面的方法采用外部n溝道MOSFET作為導通元件。盡管多數n溝道MOSFET完全導通時可提供較低的漏-源阻抗，但是其大電流時的電壓降仍會產生功率損耗，并降低負載上的輸出電壓。假如：圖1中的VCC2為1.2V核電源，并且極限工作條件下期望的輸出電流為20A，因此5mΩ MOSFET上的壓降為100mV。這會導致核電源產生8.125%的壓降，如果對此電壓進行監視，就會產生一個系統復位。如果成本可以接受，可通過選擇漏-源阻抗較低的MOSFET或者并聯多個MOSFET的方法來降低導通元件上的損耗。

降低開關導通損耗的一種方法是：選擇省掉串聯導通元件的電壓跟蹤器結構。控制器電路具有旁路性能，可在各輸出電壓上升時將其短接在一起，以確保兩個電源電壓之間實際壓差為零。在最小的電源電壓達到其最終門限后，旁路關斷，以移除臨時短路通道，并允許較大的電源電壓上升到其最終門限。不采用串聯MOSFET，允許電路滿負載工作，且無串聯損耗。另外，用作旁路的n溝道MOSFET可以選用適中的尺寸，因為上電期間要求的電源功率(通常)要顯著地低于正常工作期間的電源功率。

該結構還可跟蹤掉電期間的下降電壓(圖3)。在包括多于兩路電源的系統中可采用多路電源跟蹤控制器。不管采用何種類型的DC-DC調節器、輸出電容的容量大小(除了對斜坡速率會產生影響)以及首先開啟哪路電源等情況，該結構均能很好地工作。


圖3. MAX5039電壓跟蹤控制器的旁路電壓跟蹤結構可降低功耗。

MAX5039電源跟蹤控制器的關鍵特性是具有反饋輸入CORE_FB。通過一個簡單的電阻分壓器網絡，該器件可在上電期間跟蹤電源，當I/O電壓超過核電壓時關斷MOSFET，并且當I/O電源跌落至低于核電源電壓時重新打開MOSFET。因此，該器件可在掉電和故障情況下提供電源跟蹤功能。該器件還包括故障檢測輸入，該引腳通過將柵極鎖定連接至VCC來將各電源接在一起。通過兩個MAX5039配合工作，可跟蹤三路電源(圖4)。


圖4. 多電壓系統需要多個跟蹤控制器。

可編程的電壓跟蹤器

除了跟蹤電源外，當今復雜的系統通常還要求更多功能。這些功能包括：電壓監視、電壓排序和電壓跟蹤(組合工作)以及電流監視功能。隨著系統中電源的數量不斷增加，由于通常要用到多個器件，因此合適的解決方案變得越來越困難。另外，這些要求還可能會在原型開發過程期間發生變化，進而迫切希望在系統的不同開發階段能夠調整特定的參數。因此，新一代的電源系統管理器件將大多數功能集成到單個器件中，以便降低元件數量，提供更大的靈活性，并提高可靠性。例如，MAX6876電源系統管理器件可對多路電源進行跟蹤或排序(圖5)。該器件是EEPROM可編程的四路電源跟蹤器/排序器，可調節包括監視門限、故障時序要求、擺率和過流門限在內的多種參數。


圖5. 可編程的四路電壓跟蹤器(MAX6876)

電源上電時，所有外部n溝道MOSFET均關斷，直到所有電源達到其規定的電壓，這些電壓門限由內部EEPROM通過I2C接口來設置。為確保所有需要的電壓在任何時候都可用，會在上電過程、正常的系統工作期間和掉電或故障情況下監視每一路電壓。如果少了其中任何一路電源，器件將觸發復位信號并跟蹤掉電過程。

所有被監視的電源超出其門限時開始上電。為導通外部MOSFET，每個柵極電壓開始同時升高(斜坡上升)。系統監視每個MOSFET的源極電壓，并與加到負載上的其它電壓進行比較。如果任何兩個電壓之間的差值超過150mV，則電壓較高的那個MOSFET的柵極降低其電壓上升速率，以便其它較低的電源電壓能夠“跟上”。如果其它電壓不能跟上，則中止上電過程。內部EEPROM通過選擇自動重試選項來重新啟動上電過程，并可調節柵極驅動擺率。

如果初始化過程中未出現錯誤，所有電壓一起被跟蹤，直到最小的電壓加到負載上。當達到該最小電壓時，系統允許每個柵極上的電壓斜坡上升直到下一個較大的電源電壓完成上電。該過程將繼續下去，直到所有電源上電完畢。四個獨立的內置電荷泵提供比輸入電壓高5.5V的驅動電壓，以確保每個MOSFET具有5.5V的柵-源驅動電壓。這樣可使漏-源阻抗降至最小。使用邏輯電平FET可進一步降低損耗。

為防止故障條件或系統關斷期間出現問題，所有電源在掉電時相互跟蹤。MAX6876監視流過MOSFET的額外電流，并且可同步四個MAX6876來跟蹤16路電源。

結語

從在電源之間連接二極管的簡單方法，到使用外部電路或控制調節器反饋回路的復雜方案，實現上電和掉電過程中的電壓跟蹤方法多種多樣。這些技術提供開環或閉環配置，視所要求的可靠性和實現功能的相關成本而定。由于系統變得越來越復雜，核電源電壓不斷降低，并且功耗不斷增加，所以電壓跟蹤變得越來越重要。

相似文章刊登于2006年5月1日發行的Planet Analog上。