四通道電壓監(jiān)控器與電源時序控制器 - 電源管理的原理和方法

　　表2 四通道電壓監(jiān)控器與電源時序控制器

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　　有些系統(tǒng)具有許多電源軌，采用這種使用大量IC，并利用電阻和電容來設(shè)置時序和閾值電平的分立解決方案會變得過于復(fù)雜、成本過高，且不能提供適當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

　　具有八路電壓軌的系統(tǒng)會需要復(fù)雜的上電時序控制。每路電壓軌都要監(jiān)控，以免出現(xiàn)欠壓或過壓故障。發(fā)生故障時，根據(jù)故障機制，需要關(guān)斷所有電源電壓，或初始化電源關(guān)斷時序。此外，必須根據(jù)控制信號的狀態(tài)采取相應(yīng)措施，并根據(jù)電源的狀態(tài)產(chǎn)生標志位。如果使用分立器件和簡單的IC來實現(xiàn)如此復(fù)雜的電路，可能需要數(shù)以百計的器件，這將會占用很大的電路板空間，并耗費大量成本。

　　在具有四路或更多電源的系統(tǒng)中，使用集中式器件來管理電源比較可取。圖6所示的是采用這種方法的一個例子。

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　　圖6 用于八路電源系統(tǒng)的集中式時序控制與監(jiān)控解決方案

　　集中式監(jiān)測和時序控制

　　ADM106x Super SequencerTM11系列產(chǎn)品使用比較器，但是有一些不同之處。每個輸入端都有兩個專用比較器，以實現(xiàn)欠壓和過壓檢測，這樣便可對DC/DC轉(zhuǎn)換器ADP1821和ADP2105以及LDO ADP1715所產(chǎn)生的電壓軌提供窗口監(jiān)控。在電源上電之前，欠壓故障是正常的狀態(tài)，因此這個指示可用于時序控制。過壓狀態(tài)通常表示一種嚴重故障，如FET或電感器短路，必須立即采取行動。

　　通常，系統(tǒng)中包含的電源數(shù)量越多，系統(tǒng)就越復(fù)雜，因此精度限制也越嚴格。另外，在低壓狀態(tài)下，例如1.0V和0.9V，利用電阻來設(shè)定精確的閾值也變得很有挑戰(zhàn)性。雖然對于5V電源軌來說，可接受10%的容差，但對1V電源軌來說，這個容差是不能接受的。ADM1066在最壞情況下允許輸入檢測器比較器的閾值被設(shè)定在1%范圍內(nèi)，而與電壓(低至0.6V)無關(guān)，并可工作在該器件允許的整個溫度范圍內(nèi)。這可以增加每個比較器的內(nèi)部毛刺濾波和遲滯。其邏輯輸入可用于啟動上電時序控制、關(guān)閉所有電源軌，或執(zhí)行其它功能。

　　比較器的信息被送入功能強大和靈活的狀態(tài)機內(nèi)核，這些信息具有以下幾種用途。

　　時序控制：當(dāng)最近的使能電源的輸出電壓進入到窗口中時，時間延遲被觸發(fā)，以按照上電時序接通下一個電源軌。可能需要具有多重上電與斷電時序，或具有差別較大的上電與斷電時序的復(fù)雜時序控制。

　　超時：如果已經(jīng)使能的電源軌沒有按照預(yù)期上電，可以執(zhí)行一套適當(dāng)?shù)膽?yīng)對措施(例如產(chǎn)生一個中斷信號或關(guān)閉系統(tǒng))。相比之下，純模擬的解決方案只會令系統(tǒng)簡單地掛在時序中的那一點上。

　　監(jiān)控：如果任一電源軌上的電壓超出了預(yù)設(shè)的窗口，可以根據(jù)發(fā)生故障的電源軌、故障類型和當(dāng)前的工作模式，采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對措施。含有五路以上電源的系統(tǒng)通常都相當(dāng)昂貴，因此全面的故障保護是極為重要的。

　　即使系統(tǒng)中的最高電壓只有3V，仍然可以通過內(nèi)置電荷泵產(chǎn)生大約12V的柵極驅(qū)動電壓，從而允許輸出能夠直接驅(qū)動串聯(lián)的N溝道FET。其它額外的輸出能夠使能或關(guān)斷DC/DC轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器，使輸出內(nèi)部上拉至其中一個輸入電壓或內(nèi)置的穩(wěn)壓電壓。輸出也可以被指定為開漏輸出。輸出可以用作狀態(tài)信號，如電源良好或上電復(fù)位。如果需要的話，狀態(tài)LED可以直接由輸出來驅(qū)動。

　　電源調(diào)整

　　除了能夠監(jiān)控多路電壓軌并提供復(fù)雜的時序控制解決方案之外，ADM1066等集成電源管理器件還可以用于暫時或永久調(diào)整某些電壓軌電壓。通過調(diào)節(jié)器件上調(diào)整節(jié)點或反饋節(jié)點上的電壓，可以改變DC/DC轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器的電壓輸出。一般來說，通過介于輸出與地之間的電阻分壓器，來調(diào)整/反饋引腳上設(shè)置的標稱電壓，從而設(shè)置標稱輸出電壓。通過切換反饋回路中的額外電阻或控制可變電阻的簡單方案，可以改變調(diào)整/反饋電壓，進而調(diào)節(jié)輸出電壓。

　　ADM1066具有DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)，可以直接控制調(diào)整/反饋節(jié)點。為了實現(xiàn)最大的效率，這些DAC不會在地與最大電壓間工作，而是會以標稱的調(diào)整/反饋電平為中心點，在一個相當(dāng)窄的窗口中工作。衰減電阻器的阻值可決定電源模塊輸出的遞增變化和DAC的每個LSB變化。這種開環(huán)調(diào)節(jié)方式提供了提升容限或降低容限的標準，相當(dāng)于那些利用參考電路中的數(shù)字電阻切換所獲得的結(jié)果，而且可以將輸出調(diào)節(jié)到類似的精度。

　　ADM1066還包含一個用來測量電源電壓的12bit ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)，以實現(xiàn)閉環(huán)電源電壓調(diào)節(jié)方案。通過給定的DAC輸出設(shè)置，電源模塊的電壓輸出可由ADC采集轉(zhuǎn)換，并利用軟件與所設(shè)定的目標電壓進行比較。這樣，便可調(diào)整DAC來校準電壓輸出，使其盡可能接近目標電壓。這個閉環(huán)方案提供了一個非常精確的電源調(diào)節(jié)方法。使用閉環(huán)方法時，與外部電阻的精度無關(guān)。在圖6中，DC/DC4的輸出電壓便是利用其中一個內(nèi)置DAC來進行調(diào)整的。

　　這種電源調(diào)節(jié)方案有兩個主要應(yīng)用。首先是電源容限的概念，也就是說，當(dāng)電源處于規(guī)定的設(shè)備電源電壓范圍邊界時，測試系統(tǒng)對電源做出的反應(yīng)。數(shù)據(jù)通信、電信、蜂窩電話基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)器和存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等制造商在將其系統(tǒng)交付給終端客戶之前，必須進行嚴格的測試。系統(tǒng)中的所有電源電壓都應(yīng)該在一定的容差范圍內(nèi)工作(例如±5%、±10%)。通過確保正確運行所進行的測試，電源容限允許所有的內(nèi)置電源被調(diào)節(jié)到容差范圍的上限和下限。具有電源調(diào)節(jié)能力的集中式電源管理器件，可用于進行這種容限測試，同時使得只需完成一次測試所需的額外器件最少、PCB面積最小——在制造商的測試地點進行容限測試期間。

　　通常需要進行全范圍測試，也就是，在設(shè)備的整個工作電壓范圍和整個溫度范圍內(nèi)進行測試， ADM1062不僅集成了閉環(huán)電源容限電路，還集成了溫度檢測和回讀功能。

　　電源調(diào)節(jié)方案的第二個應(yīng)用是補償工作現(xiàn)場的系統(tǒng)電源波動。造成電源波動的原因有許多種，就短期而言，當(dāng)溫度改變時，電壓的輕微變化是十分常見的;就長期來說，某些器件參數(shù)可能會隨產(chǎn)品的長期使用而產(chǎn)生輕微的漂移，這也可能導(dǎo)致電壓的漂移。ADC及DAC環(huán)路可被周期性地激活(例如每10 s、30 s或60 s)，再加上軟件校準環(huán)路，就可以使電壓保持在其應(yīng)有的范圍內(nèi)。

　　靈活性

　　ADM1066具有內(nèi)置非易失性存儲器，在系統(tǒng)開發(fā)過程中，當(dāng)時序控制與監(jiān)控需求不斷發(fā)展時，可以根據(jù)需要進行多次重新編程，這意味著硬件設(shè)計可以在產(chǎn)品原型設(shè)計的初期完成，而監(jiān)控和時序控制的優(yōu)化可以隨著項目的進展來進行。

　　數(shù)字溫度和電壓測量等功能可以簡化并加速評估過程;容限工具則允許在開發(fā)過程中對電源電壓進行調(diào)節(jié)。因此，當(dāng)關(guān)鍵的ASIC、FPGA或處理器也正處在開發(fā)階段，且由于推出新版本的芯片，引起電源電壓電平或時序需求不斷變化，可以通過軟件14 GUI(圖形用戶界面)來完成簡單的調(diào)節(jié)。在幾分鐘內(nèi)對電源管理器件進行重新編程，將變化因素考慮進去，而無需對電路板上的器件進行物理級改變，也不會發(fā)生需要重新設(shè)計硬件等更糟的狀況。