簡介

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他們的系統。本文討論了原因和方法。

多年來對越來越多的電源電壓軌的監控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 - 尤其對于采用微處理器的系統。確定電壓軌是否高于閾值或在操作窗口內 - 以及該電壓是否以相對于其他軌道的正確順序通電或斷電 - 對于操作可靠性和安全性至關重要。

存在許多方法來解決該問題的各個方面。例如，可以使用使用精密電阻分壓器，比較器和參考的簡單電路來確定軌道上的電壓是高于還是低于某個水平。在復位發生器（例如ADM803）中，這些元件與延遲元件組合在一起，用于保存設備，如微處理器，專用IC（ASIC）和數字信號處理器（DSP）-in <上電時em> reset 。這種級別的監控對于許多應用來說都是足夠的。

在需要監控多個電源軌的情況下，并聯使用多個設備（或多通道比較器及其相關電路），但增加機會要求監控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）制造商可能會指定必須在5-VI / O之前20 ms施加3.3 V核心電壓（輸入/輸出）電壓，以避免設備通電時可能造成的損壞。滿足這樣的時序要求對于可靠性至關重要，因為將器件的電源電壓和溫度保持在規定的工作范圍內。

此外，許多應用中的電源軌數量也大幅增加。復雜，昂貴的系統，例如LAN交換機和蜂窩基站，通常具有帶10個或更多電壓軌的線卡;但即使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。

現在許多高性能IC需要多個電壓。例如，單獨的核心和I / O電壓是許多設備的標準。在高端，DSP可能每個設備最多需要四個獨立的電源。在許多情況下，許多多供電設備可以共存于一個包含FPGA，ASIC，DSP，微處理器和微控制器（以及模擬組件）的系統中。

許多設備共享標準電壓等級（如3.3） V），而其他可能需要特定于器件的電壓。另外，特定的標準電壓電平可能必須在許多地方獨立提供。例如，可能需要單獨的模擬和數字電源，例如3.3 V _ANALOG 和3.3 V _DIGITAL 。可能需要多次生成相同的電壓以提高效率（例如，運行在數百安培的存儲器軌）或滿足排序要求（3.3 V _A 和3.3 V _B 在不同的時間由不同的設備需要）。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變得非常復雜，尤其是在系統必須設計為支持上電序列，斷電序列以及對不同點上各個供電軌上所有可能故障條件的多個響應時操作。中央電源管理控制器是解決此問題的最佳方法。

隨著電源電壓的增加，出現問題的可能性要高得多。風險與供應數量，元素數量和系統復雜性成比例增加。外部因素也增加了風險。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承諾硬連線電壓監控閾值和時序，這些閾值和時序可能隨著ASIC規范的發展而變化。如果要求發生變化，可能需要修改PC板 - 具有明顯的進度和成本影響。此外，某些器件的電源電壓規格可能會在開發過程中發生變化。在這種情況下，一種容易調整供應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是至關重要的。

評估所選故障保護和時序的穩健性可能是一項相當大的工作，因此設備簡化此過程將加快電路板評估并縮短產品上市時間。故障記錄和數字化電壓和溫度數據是從早期PCB開發到原型評估的現場和設計的所有階段的有用功能。

基本監測

圖1顯示了使用ADCMP354比較器和參考IC監控多個電壓軌的簡單方法。每個軌道使用單獨的電路。電阻分壓器將電壓軌縮小，為每個電源設置欠壓跳變點。所有輸出連接在一起以生成共同的電源良好信號。

基本測序

圖2顯示了如何使用邏輯閾值而不是比較器，使用分立元件實現基本測序。其他地方生成了12 V和5 V電源軌。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）組合來緩慢地使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。采用ADP3330和ADP3333低壓差（LDO）穩壓器產生3.3V和1.8V電壓軌。這些電壓的導通時間也由RC排序。由于RC驅動每個LDO的關斷（/ SD）引腳，因此不需要串聯FET。選擇RC值以確保在電壓上有足夠的時間延遲（ t ₂ ， t ₃ ） / SD引腳超過其閾值。

這種簡單，低成本的電源排序方法占用的電路板面積很小，在許多應用中都是完全可以接受的。它適用于成本是主要驅動因素，時序要求簡單且測序電路精度不高的系統。

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壓軌損壞）。

使用IC進行排序

圖3顯示了ADM6820和ADM1086電源排序IC如何用于在類似系統中準確可靠地對電源軌進行排序。內部比較器檢測電壓軌何時超過精確設定的電平。輸出在可編程導通延遲后置位，使ADP3309和ADP3335調節器按所需順序啟用。閾值由阻力比確定;延遲由電容器確定。

提供各種電源排序IC。某些設備具有可用于直接啟用電源模塊的輸出，并且可提供多種輸出配置。其中一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（例如12 V軌）的軌道進行排序以驅動 n - 通道FET柵極的低壓系統尤其有用。其中許多設備還具有啟用引腳，允許外部信號 - 來自按鈕開關或控制器 - 重新啟動序列或在需要時關閉受控導軌。

集成電源系統管理

有些系統有如此多的電源軌，使用大量IC的離散方法，以及使用電阻和電容設置時序和閾值電平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，需要復雜的上電序列。必須監控每個導軌的欠壓和過壓故障。在發生故障時，可以關閉所有電壓，或者可以啟動斷電序列，具體取決于故障機制。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實現這種復雜性的電路可能需要數百個獨立元件，大量的電路板空間以及顯著的組合成本。

在具有四個或更多電壓的系統中，它可能會感覺使用集中式設備來管理電源。圖4中可以看到這種方法的一個例子。

集中監控和測序

ADM106x超級序列發生器^? 系列繼續使用比較器，但有一些重要的區別。兩個比較器專用于每個輸入，因此可以實現欠壓和過壓檢測，從而為ADP1821和ADP2105 DC-DC轉換器和ADP1715 LDO產生的電壓軌提供窗口監控。欠壓故障是導軌上電前的正常情況，因此該指示用于排序。過壓條件通常表示存在嚴重故障 - 例如FET或電感短路 - 并要求立即采取措施。

具有較高電源數量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，在較低的電壓（例如1.0 V和0.9 V）下，使用電阻設置精確的閾值會變得具有挑戰性。雖然在5 V電壓軌上可以接受10％的容差，但在1 V電壓軌上這種容差通常是不夠的。 ADM1066允許將輸入檢測器比較器閾值設置在1％的最差情況下，與電壓（低至0.6 V）無關，并且在器件的整個溫度范圍內。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，關閉所有電源軌或執行其他功能。

來自比較器組的信息，可輸入功能強大且靈活的舞臺機器核心，可以可用于各種目的：

排序：當輸出電壓為最近啟用的電源進入窗口，可以觸發時間延遲以在上電序列中打開下一個電源軌。可以進行復雜的測序，具有多個上電和斷電序列，或者用于上電和斷電的完全不同的序列。

超時：如果已啟用的導軌未按預期啟動，則可采取適當的措施（例如生成中斷或關閉系統）。純模擬解決方案只會掛在序列中的那一點。

監控：如果任何導軌上的電壓超出預設窗口，可采取適當的措施取決于發生故障的軌道，發生的故障類型以及當前的運行模式。具有五個以上電源的系統通常很昂貴，因此全面的故障保護至關重要。

板載電荷泵用于產生大約12 V的電源驅動器，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 - 通道FET。額外的輸出啟用或關閉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穩壓電壓。輸出也可以斷開漏極。輸出也可用作狀態信號，例如電源良好或電源開啟復位。如果需要，可以直接從輸出驅動狀態LED。

電源調整

除了監控多個電壓軌并為復雜排序提供解決方案外，集成電源管理器件（如ADM1066）還提供臨時或永久調整各軌電壓的工具。通過調節該器件的微調或反饋節點處的電壓，可以改變DC-DC轉換器或穩壓器的電壓輸出。通常，模塊的輸出和地之間的電阻分壓器在調整/反饋引腳處設置標稱電壓。這反過來又設定了標稱輸出電壓。涉及在反饋環路中切換額外電阻或控制可變電阻的簡單方案將改變調整/反饋電壓，從而調整輸出電壓。

ADM1066配備數模轉換器（DAC）至提供對修剪/反饋節點的直接控制。為了獲得最大效率，這些DAC不能在地和最大電壓之間工作;相反，它們在以標稱修整/反饋水平為中心的相對窄的窗口上操作。衰減電阻的值隨著DAC的每次LSB變化而縮放功率模塊輸出的增量變化。這種開環調整提供了與參考電路中數字電阻切換相當的裕量上升和裕量下降電平，并將輸出調整到類似的精度。

ADM1066還包括一個12用于測量電源電壓的位模數轉換器（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，電源模塊的電壓輸出由ADC數字化，并與軟件中的目標電壓進行比較。然后可以調節DAC以盡可能接近地校準電壓輸出到目標電壓。這種閉環方案為供應調整提供了非常準確的方法。采用閉環方法，外部電阻的精度完全無關緊要。在圖4中，DC-DC4的輸出電壓由片內DAC之一調整。

電源調整方案有兩個主要用途。第一個是余量電源的概念，即測試系統在設備指定電源電壓范圍的邊緣運行其電源的響應。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需要在向最終客戶發貨之前對其系統進行嚴格測試。系統中的所有電源都將被指定以一定的容差運行（例如，±5％，±10％）。裕度調節允許將板上的所有電源調整到公差范圍的高端和低端，并進行測試以確保正確操作。具有電源調整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在制造商的測試現場的裕量測試期間執行僅需要一次的功能所需的額外組件和PCB區域的需求。

四個角落測試，即在設備的工作電壓和溫度范圍內進行測試，通常是必需的，因此ADM1062除了閉環電源外，還集成了溫度感應和回讀功能。電源裕量電路。

電源調整方案的第二個用途是補償現場的系統電源變化。這種變化有很多原因。短期來看，電壓隨溫度變化而略微變化是很常見的。從長期來看，某些元件值可能會在產品的整個使用壽命期間略微漂移，從而導致電壓漂移。 ADC和DAC環路可以定期激活（例如，每10,30或60秒），并與軟件校準環路一起使用，以保持電壓位置。

靈活性

ADM1066具有板載非易失性存儲器，可根據需要對其進行多次重新編程，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，并且可以在項目進展時完成監控和排序的優化。

數字溫度等功能 - 和電壓測量簡化并加快了評估過程。裕度調節工具將允許在開發周期期間調整電壓軌。因此，在關鍵的ASIC，FPGA或處理器也處于開發階段，并且隨著新的硅片修訂版本出廠時，電源電壓電平或時序要求處于不穩定狀態，可以通過軟件GUI進行簡單的調整。因此，可以在幾分鐘內對電源管理設備進行重新編程，以便將更改考慮在內，而無需物理更換電路板上的組件，或者更糟糕的是 - 重新設計硬件。

結論

越來越多的電壓軌和電源排序的出現增加了對各種設備和系統中電源設計人員的需求 - 包括筆記本電腦，機頂盒，和汽車系統，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，新的信息收集水平以及快速簡單的可編程性也令人感興趣，特別是在中高端系統中。為了提高穩健性和可靠性，以及增加這些重要的新功能，有許多新的電源管理集成電路可以幫助安全，高效地解決這些問題，同時最小化電路板面積，同時縮短產品上市時間。