關(guān)于電源時序管理的分析和介紹

通常情況下，生產(chǎn)測試都是多臺機子連接起來才能完成的，用于測試的設(shè)備都放在手推車上，測試對象則整齊地放在桌子上，車子推到哪里，就在哪里連線、開機、測試、關(guān)機、拆線，然后再移動到下一個工位。在所有的工作中，連線和拆線是最辛苦的，因為為了可靠的緣故，所有的連接器都是圓形航空插頭座，每次連接、拆除都需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)很多圈，因而手被累得實在是很辛苦。當年的這種工作給我?guī)硪恍┝晳T，我用的手機充電線從來不會壞掉，因為每一次的插拔都是下意識地從插頭根部著力，軟性的部分不會受力，因而也不易受損。

連線和拆線的過程都是在關(guān)機情況下進行的，開機和關(guān)機則有嚴格的順序，接收信號的機子需要先開機、后關(guān)機，發(fā)出信號的機子則要后開機、先關(guān)機。舉例來說，假如一臺設(shè)備連接了顯示終端，開機的時候就一定是先開顯示終端，然后再開主機，關(guān)機時則要反過來。因為這個緣故，后來PC上出現(xiàn)可以熱插拔的設(shè)備時，對我來說便是一件很新奇的事情，由此帶來的自由也還會常常讓我想起過去的不自由。

從表面上看，我早期所接觸的這些設(shè)備都是很復雜的，它們需要被安裝在大型的機箱、機柜中，但在實際上，其中的電路與今日的電子產(chǎn)品相比要簡單許多，只不過所用器件的集成度很低，每一顆IC里所包含的電路極少，但封裝卻很大，所以需要占用大量的空間。一臺設(shè)備要實現(xiàn)完整的功能，就需要使用很多塊板子，板子之間再用線扎和連接器連接起來。每個板子上都有很多IC，但大多是很基本的邏輯器件，使用這種器件設(shè)計產(chǎn)品，效率很低，但由此帶來的訓練還是很值得的。有時候，我會對集成度比較高的器件進行反向推理，從而基本知道它的內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，其中最典型的是一款型號為MC6845的器件，這顆器件因為在早期的PC中被廣泛使用而出名，我們使用它則是為了設(shè)計一款彩色CRT顯示控制器的終端，最初的應(yīng)用電路不是我設(shè)計的，但在我對它的內(nèi)部邏輯進行推理以后提前發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計中的邏輯錯誤，為后來的順利調(diào)試打下了基礎(chǔ)，這個工作也為我后來在PC上對一款視窗軟件進行漢化帶來了幫助，相應(yīng)的思想又在后來的工業(yè)應(yīng)用中被成功利用，因為對一樣東西的深入理解能在再次遇到時給你帶來很大的方便。

在設(shè)備與設(shè)備之間進行連接的時候，加電的順序是很重要的，這個概念可以被稱為電源時序管理。上一回，我們說到用RT9266+RT9166為早期的MP3播放器供電的時候，RT9266從電池取電輸出3.3V，再用RT9166得到2.5V或1.8V，這樣的設(shè)計基本上利用的是轉(zhuǎn)換器自身的自然特性，沒有很嚴格的時序管理，這樣的做法，某些情況下是可行的，某些時候可能就會遇到問題，它們的電流消耗會比正常情況下的大，而功能則可能不正常。

有很多數(shù)字器件的輸入級可能就是一個反相器，它是由一顆P-MOSFET和一顆N-MOSFET構(gòu)成的，它們的柵極連接在一起成為輸入端，兩者的漏極連接在一起成為輸出端，兩個源極則是電源VDD和地GND/VSS的連結(jié)點。當其輸入端的電壓處于某個區(qū)間時，可使兩顆MOSFET同時導通，如果在此時加上電源，VDD和VSS之間就直接貫通形成電流了。下圖是對這段話的圖形化描述：

提供給這個輸入端的信號，既可能是噪聲，也可能是來自前級設(shè)備的輸出。為了防范這樣的問題發(fā)生，設(shè)計者需要在此輸入端上采取一些措施來進行防范。

有的器件的輸入端會有不得高于VDD+0.3V這樣的要求，這樣的器件在遇到本身沒加電而前級已經(jīng)加了電的情況時，輸入級很容易就壞掉了，或是表現(xiàn)出某種不正常的現(xiàn)象，這種狀況在類似RT9266這樣的器件中也存在。先看看規(guī)格書上的電路圖：

圖中，EN端和VDD端是連接在一起的，這樣它們的電壓就會一起變化。假設(shè)你現(xiàn)在要對它進行外部控制，EN端就需要用其他信號源來驅(qū)動，假如這時候送到EN端的高電壓先于VDD到達，或是它在某個時候會高于VDD電壓一定的值，位于IC內(nèi)部對芯片進行保護的二極管就會導通，電流將從EN端流向VDD端，這顆芯片通常就不能正常工作了。如果這樣的狀況一定會發(fā)生，必須在EN信號路徑上串入一只比較大的電阻進行電流限制，有的時候還需要增加一只電容，故意把提供給EN的信號延遲。再來看看規(guī)格書，你就知道EN端的電壓不能超過VDD+0.3V的規(guī)定確實是存在的，如下圖中信息所示：

但是在實際中有多少人會關(guān)注這樣的內(nèi)容呢？我對此真的沒有多少信心，因為我自己也可能忘了這一點，希望看到這樣內(nèi)容的你以后會對此有所關(guān)注。

MOS器件的工藝結(jié)構(gòu)本身也會帶來一些問題，下圖來自一家IC廠商的網(wǎng)站，圖中從CMOS反相器的物理結(jié)構(gòu)開始，將其中的寄生電路畫了出來，最后用等效電路的形式給出了latch-up問題發(fā)生時的電路結(jié)構(gòu)以及其中的電流流動情況。由于最后的電路是單向可控硅的結(jié)構(gòu)，自鎖以后的電路故障是無法消除的，唯有斷電一法可以切斷電流。

我覺得好玩的是這個網(wǎng)站在做了這么多工作的情況下，最后給出來的電路工作原理描述上卻出現(xiàn)了錯誤（我認為的），所以就不照搬它的文字部分了，但我自己也不想做過多的敘述，感興趣的讀者自己進行吧。如果我都做完了，讀者可能就不需要做任何努力了，我覺得這對培養(yǎng)讀者的能力是不好的，但是這與“作者不努力，編輯就得努力；編輯不努力，讀者就得努力”所描述的狀況又是不一樣的，因為我的目的是要讓讀者讀了之后能夠成長，所以你可以把這看作是現(xiàn)場作業(yè)，至于要不要做，你要自己做選擇。

像這種出現(xiàn)在接口上的問題，使用多個工作電壓的系統(tǒng)級芯片也特別容易出現(xiàn)，因為使用不同電壓供電的各部分之間的接口部分在加電、斷電過程中就會有同樣的現(xiàn)象。所以，對于復雜的系統(tǒng)來說，關(guān)注電源時序是必須的。在我從事電源管理以后所接觸的供電對象的規(guī)格書中，液晶顯示屏提及電源時序要求的資料被我見到的次數(shù)是最多的，但可惜我已經(jīng)很久沒有接觸了，所以想在這里提供一個范例的想法難以實現(xiàn)，請讀者在自己的工作中去注意吧。

很多簡單的電源轉(zhuǎn)換器只是完成電壓轉(zhuǎn)換，用這種器件時進行時序管理會很辛苦。增加了使能控制的器件就會簡單一點，像上述的RT9266就有使能端EN，可以用它完成開關(guān)控制。更進一步的轉(zhuǎn)換器會有Power Good信號輸出，它能在轉(zhuǎn)換器輸出正常時給出一個信號去通知別的電路，讓它們可以據(jù)此同步工作，下圖是一個例子：

RT2875是符合車規(guī)AEC-Q100規(guī)范的Buck器件，可在4.5V-36V輸入下工作，最大負載能力為3A，我們可以用EN端的高電平讓它進入工作狀態(tài)，當其輸出電壓達到設(shè)定電壓的90%以上時，PGOOD端就可以變成高電平，它又在輸出電壓下降到設(shè)定值的85%以下時變成低電平，設(shè)計者可以用它去控制另外一組電源的工作。實際上，絕大部分使用Power Good信號的器件，其內(nèi)部都是漏極開路的MOSFET開關(guān)，只要外部加上上拉電阻就可以將其開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電壓的不同，因而很方便使用，IC內(nèi)部的具體實現(xiàn)方法可在下圖中看出來。

當使用多組電源時，每一組的使能信號、Power Good信號都需要進行處理，這活也實在是麻煩，所以，高度集成化的系統(tǒng)級電源管理器件（PMIC）會把這部分功能也集成起來，以便簡化設(shè)計工作，有的芯片甚至可以有多種不同的時序可供選擇，從而可以擴大器件的適用范疇。對于這樣的設(shè)計，RT2070可以作為一個范例來介紹。

RT2070是針對攝像頭應(yīng)用的多輸出IC，內(nèi)部含有3組Buck、1組LDO和一個負載開關(guān)，可用I2C總線進行控制，通過車用IC的規(guī)范AEC-Q100 Grade 1認證，對抗惡劣環(huán)境的能力相當了得。想一想現(xiàn)在很流行的自動駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），你就知道攝像頭在車上的使用會多么普遍地被使用了，但這樣的應(yīng)用又不能顯得太突兀，因而提供給它們的空間都非常狹小，再加上車輛的使用環(huán)境通常都很惡劣，所以要求它可在-40℃~+125℃的環(huán)境溫度下工作。下圖是RT2070的應(yīng)用電路圖：

它的各通道之間的時序關(guān)系可有6種選擇，通過SEQ端外接電阻的值就可指定一種上電過程中確定的時序，以后又可通過I2C總線進行新的設(shè)定。一個典型的時序關(guān)系是這樣的：

如果出現(xiàn)了意外故障，它還有特定的時序?qū)ο到y(tǒng)進行保護，下圖對此進行了示意：

預(yù)先定義好的時序在實際中呈現(xiàn)時，可在示波器上看到下圖所示的實際波形：

這樣的過程的實現(xiàn)，是靠IC內(nèi)部的大量邏輯判斷完成的，下圖就是器件邏輯部分的主體流程：

實現(xiàn)保護的邏輯部分看起來會更復雜一點，如下圖所示，是對上圖的補充。