電源管理的原理和方法

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　　電源設(shè)計(jì)工程師通常采用靈活的電源監(jiān)控、時(shí)序控制和調(diào)節(jié)電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理。本文主要討論電源管理的原理和方法。

　　多年來(lái)，隨著系統(tǒng)內(nèi)電源數(shù)量的增多，為了確保其安全、經(jīng)濟(jì)、持續(xù)和正常的工作，特別是在使用微處理器時(shí)，對(duì)電源軌進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制變得非常重要。確定電壓軌是超過(guò)閾值還是處于工作范圍內(nèi)，以及該電壓相對(duì)于其它電壓軌是否按照正確的時(shí)序上電或斷電，這些對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性來(lái)說(shuō)都是至關(guān)重要的。

　　對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，有許多解決方案。例如，利用由精密電阻分壓器、比較器和基準(zhǔn)電壓源組成的簡(jiǎn)單電路，就能夠檢測(cè)電壓軌上的電壓是高于還是低于規(guī)定的電平。在復(fù)位發(fā)生器中，如ADM809，將這類器件與延遲器件結(jié)合在一起，能夠使微處理器、ASIC(專用集成電路)以及DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)等在上電時(shí)便處于復(fù)位狀態(tài)，這種類型的監(jiān)控適合于多種應(yīng)用。

　　當(dāng)需要監(jiān)控多路電壓軌時(shí)，會(huì)需要更多的不只是用于簡(jiǎn)單監(jiān)控電壓的監(jiān)控IC。例如，考慮一個(gè)常見(jiàn)的電源時(shí)序控制需求：FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)制造商規(guī)定，在向器件提供5V I/O(輸入/輸出)電壓之前，必須先施加3.3V的內(nèi)核電壓，并持續(xù)至少20ms，以避免器件上電時(shí)受到損壞。對(duì)于系統(tǒng)的可靠性來(lái)說(shuō)，滿足這樣的時(shí)序要求就像要保證器件在規(guī)定的電源電壓和溫度范圍內(nèi)工作一樣至關(guān)重要。

　　隨著應(yīng)用的發(fā)展，電源軌數(shù)量也在顯著增加。一些復(fù)雜、昂貴的系統(tǒng)，如LAN(局域網(wǎng))交換機(jī)和蜂窩電話基站，線路卡通常會(huì)包含10路或更多電壓軌;即使是成本敏感的消費(fèi)類系統(tǒng)，如等離子電視，也可能具有多達(dá)15路的獨(dú)立電壓軌，其中許多電壓軌都需要進(jìn)行監(jiān)控和時(shí)序控制。

　　目前，許多高性能的IC都需要多路電壓。例如，提供獨(dú)立的內(nèi)核電壓和I/O電壓已成為許多器件的標(biāo)準(zhǔn)。在高端系統(tǒng)中，每個(gè)DSP器件會(huì)需要多達(dá)四個(gè)獨(dú)立的電源。而在更多情況下，單一系統(tǒng)中可能存在著大量的多電源器件，包括FPGA、ASIC、DSP、微處理器和微控制器(以及模擬器件)。

　　系統(tǒng)中有許多器件都可以采用標(biāo)準(zhǔn)電源電壓供電(如3.3V)，而另一些器件可能需要專用電壓。此外，某些標(biāo)準(zhǔn)電壓可能還需要用到很多不同的地方。例如，有時(shí)會(huì)需要像3.3 VANALOG和3.3 VDIGITAL這樣獨(dú)立的模擬電源和數(shù)字電源。為了提高效率(如存儲(chǔ)器電源軌的電流會(huì)達(dá)到數(shù)百安培)或滿足時(shí)序要求(個(gè)別器件在不同時(shí)間需要3.3 VA以及3.3 VB)，可能需要多次產(chǎn)生相同的電壓。所有這些因素都導(dǎo)致電源數(shù)量的增加。

　　電壓監(jiān)控和時(shí)序控制有時(shí)會(huì)變得極為復(fù)雜，特別是當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)為能夠支持上電時(shí)序控制和斷電時(shí)序控制，并能夠在工作期間的不同時(shí)間點(diǎn)上對(duì)不同電源軌上的所有可能故障狀況均產(chǎn)生多種響應(yīng)時(shí)。中心電源管理控制器是解決這個(gè)難題的最佳方案。

　　隨著電源電壓數(shù)量的增加，發(fā)生故障的幾率也隨之增加。其風(fēng)險(xiǎn)與電源數(shù)量、器件數(shù)量和系統(tǒng)復(fù)雜程度成正比，外部因素也會(huì)增加風(fēng)險(xiǎn)。例如，如果在初始設(shè)計(jì)階段沒(méi)有完整地定義出主ASIC的特性，那么電源設(shè)計(jì)工程師必須用硬連線實(shí)現(xiàn)電壓監(jiān)控閾值和時(shí)序控制，但這些都可能會(huì)隨著ASIC技術(shù)指標(biāo)的改變而發(fā)生變化。如果需求發(fā)生改變，那么PCB(印制電路板)必須進(jìn)行修改，這顯然會(huì)影響開(kāi)發(fā)進(jìn)度和成本。另外，某些特定器件的電源電壓技術(shù)指標(biāo)可能會(huì)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中有所改變。在這種情況下，對(duì)于任何一個(gè)中心電源系統(tǒng)管理器來(lái)說(shuō)，易于調(diào)整電源的方法將會(huì)是非常有用的。事實(shí)上，對(duì)這種系統(tǒng)的電壓軌進(jìn)行監(jiān)控、時(shí)序控制和調(diào)節(jié)時(shí)，靈活性是非常重要的。

　　對(duì)選定的故障保護(hù)機(jī)制和時(shí)序控制的魯棒性進(jìn)行評(píng)估是一件相當(dāng)龐大的工作，因此，能夠簡(jiǎn)化這一過(guò)程的器件將加速電路板的評(píng)估，并縮短上市時(shí)間。不論是在工作現(xiàn)場(chǎng)，還是從早期PCB開(kāi)發(fā)到原型評(píng)估的各個(gè)設(shè)計(jì)階段，故障記錄以及數(shù)字化的電壓和溫度數(shù)據(jù)都是很有用的特性。

　　基本監(jiān)控

　　下圖所示為利用ADCMP361監(jiān)控多路電壓軌的簡(jiǎn)單方法，這是一款內(nèi)置基準(zhǔn)電壓的雙極性輸出、±0.275%精度的比較器 。由于ADCMP361內(nèi)置400mV高精度基準(zhǔn)電壓源，因此可以精確的監(jiān)控非常低的電壓，例如0.9V 的電壓軌。其中，每路電壓軌都使用獨(dú)立的電路。電阻分壓器將電壓軌按比例降低，并為每一路電源設(shè)置一個(gè)欠壓跳變點(diǎn)。所有的輸出被連接在一起，產(chǎn)生通用電源良好信號(hào)。

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　　基于比較器的欠壓檢測(cè)，提供通用電源良好輸出，可用于3路電源系統(tǒng)

　　由于采用更低電源電壓的新工藝的發(fā)展，加上遺留的I/O電壓要求，近年來(lái)復(fù)雜系統(tǒng)中電壓軌的數(shù)量大幅增加。當(dāng)需要監(jiān)控多路電壓軌時(shí)，可以使用能分別監(jiān)控兩路或三路電壓軌的多電壓監(jiān)控器，如ADM13305以及ADM13307。ADM6710與ADM1184還可以監(jiān)控四路電壓軌。ADM6710可提供預(yù)調(diào)電壓閾值，ADM1184可提供4個(gè)高精度(±0.8%)的可調(diào)輸入信號(hào)，能夠利用外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置跳變閾值。

　　多電壓監(jiān)控器

　　表1 多電壓監(jiān)控器

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　　更小的工藝尺寸正在推動(dòng)內(nèi)核電壓向更低的方向發(fā)展。通常在大電流情況下，必須有效地提供低電壓，而且必須遵守嚴(yán)格的調(diào)節(jié)和瞬態(tài)指標(biāo)。低壓時(shí)余量的不足可能會(huì)引起預(yù)想不到的器件行為。例如，如果電源電壓下降到電信ASIC的閾值以下，芯片的工作會(huì)出現(xiàn)異常，可能導(dǎo)致正在發(fā)送的信息被破壞或者數(shù)據(jù)丟失。隨著內(nèi)核電壓的下降，對(duì)高精度電壓監(jiān)控器的要求將更加苛刻，如圖所示。

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　　圖 需要高精度監(jiān)控器

　　在這個(gè)例子中，1 V穩(wěn)壓電源實(shí)際的電壓范圍是0.97 V～1.03 V。微處理器可接受的核心電壓是1 V (±5%)，即0.95 V～1.05 V。因此，欠壓監(jiān)控范圍為2%。而ADM13305、ADM13307與ADM1184的可調(diào)輸入在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的精度高達(dá)±0.8%，電阻分壓器的精度為±0.1%，這使得欠壓電平監(jiān)控精度范圍能保持在2%以內(nèi)。