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作者：Bill Schweber 貿澤電子 高性能IC器件如FPGA一般都要求多條獨立的直流電源軌來給器件內核、RAM、內部緩存、外部擴展I/O如I2C、SPI、LVDS以及其它端口提供電源。這些電源軌可能是不同規格的，但是差距也一般很小如1.2V、1.5V和1.7V，有時這些電源軌也具有同樣的電壓值，但是耐壓能力或者物理布局位置可能不一樣。例如WiFi網絡節點采用的高集成度的專業應用IC就可能集成了多條電源軌，支持不同的網路功能以及不同行業標準所要求的接口電壓。在天線驅動器和功率放大器應用場景也具備雙向供電特性。 電源軌的數量不僅僅面向單一的IC器件，它面向的是整個完整的系統，電源軌的數量也在不斷的增加，比如增加電動機驅動、驅動MOSFET/IGBT、其他一些專用通信接口如以太網、RS-232/422接口。因此無論板卡尺寸大小，一個完整的系統可能需要更多的電源軌，完全可以采用一個獨立的DC電源調節器來驅動（也可以成為電源轉換器）。 設計者的問題 設計者的問題是當我們采用主電源的時候——無論是具體的實際開關還是軟件控制的開關——這些電源軌必須按照之前精心設計的次序上電并達到最終穩定值（當關閉電源操作時也要按照制定的斷電次序）；如圖1所示，如果次序和相對時序不正確或者電壓上升和下架的波動頻率明顯會隊電路造成不可挽回的損壞。 
圖1：多電源軌系統的上電次序一般是某些電源軌必須在其他電源軌上電后或者達到穩定值后才能上電，關閉的次序也大致如此，如上圖是Altera Enpirion ES1021QI的電源軌上電次序（來源：Altera公司） 盡管有時候不會造成不可挽回的破壞，但是錯誤的上電次序可能會導致操作異常也會造成一些我們不能夠接受的結果:比如我們給驅動電動機的MOSFET上電了，但是電動機控制軟件還沒有初始化完成，控制MOSFET的操作還沒有就緒會產生哪些影響。當然這些問題也不一定與正常的上電順序有關系，也可能是與系統電路板卡的熱插拔設計有關。 為了解決這些問題我們需要采用專業的電源管理IC（PMIC）來實現電源的上電次序和時序。功能全滿的PMIC能夠幫助工程師完成以下工作： • 建立多電源軌之間有序的上電/關閉次序，互不影響 • 如果需要的話能夠控制電壓波動（上升/下降）的頻率 • 任何一個電源軌出現問題不影響對其他電源軌的管理 實際上不同電源軌之間的時序是與電源軌的電壓相關的而不是絕對的延遲時間，不同電源軌連續上電的時間間隔是以毫秒為單位的。上電規則有時很簡單，比如“電源軌A上電完成再給電源軌B上電”，當然有時也很復雜，比如“只有當電源軌A和B的電壓都達到穩定值才給電源軌C上電”。（注意：“上電”的定義是根據不同應用要求來設置的，大部分是最終穩定電壓的90%，但是某些嚴格的應用場景要求達到最終電壓1%以內）。 盡管在大部分應用中對于電壓是嚴格的，而不是時間間隔，但是一些應用將設計的替換時間作為標準。這種情況是可能的，如果工程師知道某個具體的電源軌能夠在合理的時間內達到期望的電壓值，那么相比電壓值，時序也更加容易精確的測量。在這些具體的場景中，比如“電源軌B上電完成后立刻給電源軌A上電”就可以具體規定為“電源軌A上電50毫秒后給電源軌B上電”。然而這種方法在實際應用是必須非常小心，因為我們不能驗證電源軌A是否達到了期望的電壓值，而不是說“在這段時間它應該上電完成了”。 基于正極狀態/反饋來確定電源軌的次序 有趣的是在一些應用中時間周期比較長，不能用毫秒來表示。在這些應用情形中，讓另一個電源軌上電之前可能已經過去幾秒鐘或者更長的時間。舉個例子，比如加熱器首先必須達到要求溫度才能進行其他操作，還比如系統處理器必須進行校正操作才能向高壓或者高功率子系統供電，但是如果我們還沒有對某個關鍵的傳感器參數進行驗證就輸出高電壓，可能會造成電子系統的損壞。 一些電源管理IC集成了DC/DC轉換器（LDO和切換開關），提供必要的上電時序，并且對某些目標應用場景如筆記本電腦（涉及CPU、內存、顯示器、I/O和其它標準功能）進行了優化。盡管這些優化很適合目標應用場景，并且應該進行這樣的設置，但是從本質上來看這會限制工程師對電源軌電壓和其它應用類型選擇的靈活性。 按一定次序給系統上電不是新出現的要求，例如真空管已經快被IC所淘汰了，除非一些特性的應用比如X射線發生器或者無線電/電視廣播發射器——這是普遍存在的要求：燈絲必須通電并且達到最終的操作溫度，金屬板才會別“B+”電壓所激發釋放電子。對于五管AM收音機來講這個延遲時間可能是零，對于千瓦級別的廣播發射器而言可能要持續很多分鐘。這個任務有時是系統操作員通過打開/關閉開關手動完成的，在其它一些場景，我們可以采用專用的電磁機械繼電器，它內部集成了定時器。當然不管是手動操作還是基于繼電器的解決方案對于采用FPGA的產品來講都是可行的，這樣的收音設備可以放在口袋或者公文包里面。 從底層設計開始 在供電次序的討論中，很容易就會涉及到不同電源軌的管理策略上，電源軌的控制是底層最基本的問題，我們要注意到有兩個問題需要解決：定序器輸出的控制信號以及每個DC調壓器輸入的響應控制信號。 首先對于第一個因素，定序器的選擇必須有完善的控制信號輸出，當然如果需要還需要提供一定數量的擴展信號。這段輸出端口都很簡單，一般采用單個GPIO（通用I/O端口）。 對于第二個因素，DC調壓器必須有一個使能輸入管腳，或者在調壓器輸入和電源軌之間增加電子開關（通常采用MOSFET），用于控制這個開關。如圖2所示，大多數情況下都會選擇采用DC調壓器，這種方案的邏輯使能控制非常簡單，如果可能的話電源管理IC可以直接使用合適的電流/電壓來驅動電源軌的MOSFET，而不用采用另外的MOSFET驅動器。 不同的解決方案，更廣泛的靈活性 定序一般被認為是電源管理IC的功能，但是這是存在歧義的。一些電源管理IC有定序功能而其他一些電源管理IC則增加了其他功能特性，例如過電流或者過電壓保護。盡管這些提升看似很值得，但是這些功能有些重疊，甚至直接與電源調壓器的功能產生了沖突。其他電源管理IC沒有定序功能，但是集成了監測和報告電源軌狀態功能。因此確定正確的定序解決方案不僅要參考電源管理IC解決方案也要參考非電源管理IC解決方案。
圖2：電源管理IC輸出直接控制Vreg，或者驅動外部MOSFET，在VREG和電源軌之間充當切換開關，上圖中在電源Vx和電源軌VxOUT之間設置了四個MOSFET，分別是1，2，3，4（來源：Altera數據手冊） 最簡單的情形就是順序上電，也就是說每個電源軌在前一個電源軌上電完成后開始打開電源上電，這種方案是最簡單不過的了。如果每個電源軌調壓器都有“power good”（PG）信號輸出，下一個調壓器設置“enable”（EN）使能控制輸入，PG管腳連接到EN使能輸入管腳，當第一個調壓器輸出PG信號就會自動讓下一個調壓器打開上電，如圖3所示電路連接。
圖3：在某些應用場景非常簡單但是高效的上電方案就是順序上電，將前一個調壓器的PG輸出管腳與下一個調壓器的EN使能輸入連接，上圖是2個TI TPS62085逐步降低調壓器提供DC電源Vout1和Vout2（來源：TI數據手冊） 這種方法是個任意多個DC調壓器的順序連接，但是這種方案的效果也是有限的。盡管采用的是順序模式（PG管腳可以連接到不止一個EN管腳），但是靈活性很差。而且這種方法也不能控制時序，比如某個電源需要等待一定的間隔時間才能夠上電，也不能夠解決關閉次序，況且這與上電次序同等重要。 為了克服這些問題，帶有定時器控制的復位IC可以用于上電次序，功能強大且靈活的555定時器IC（或者改進版）可以用于控制次序，可以在第一個電源軌達到穩定電壓或者關閉后引入一定的時間間隔。這個時間間隔可以通過調整555定時器的某個硬件電阻來實現，因此這些問題可以通過設計和BOM來就解決，而不是固件。如圖4所示，盡管這看似不是一個很好的解決方法，但是確實非常高效的一種，尤其是當定序問題是可見的就非常有用了，我們需要條件硬件原型板卡就可以了。
圖4：在一些設計中使用的另一種解決方案是采用555型定時器IC，通過調節電阻值來設置不同的延遲時間 對于電源軌較多的系統則需要更大的靈活性，美信（Maxim）公司設計的MAX16029電源管理IC可用于四通道電源軌，延遲時間支持用戶自定義，主要是通過外置電容實現的，這樣可以避免掉電易失和啟動的問題，如圖5所示。四個電源軌通道是互相獨立的，每個通道的輸出可以用于漏極開路配置，支持輸出的電源軌電壓最高可達28V，適合更高電壓要求的DC調壓器。其他電源管理IC還具有時序設置功能，是通過PMBus總線接口而不是調節外部電容值或者電阻值，因此能夠同時控制四個以上的電源軌輸出。
圖5：美信（Maxim）公司推出的MAX16029電源管理IC使用外置電容來調節四個獨立的電源軌通路的延遲時間，支持最高DC輸出電壓28V。（來源：美信公司數據手冊） 固件、軟件提供更高級的解決方案 對于有很多電源軌的應用，定序要求也就更復雜，需要全面的管理打開/關閉操作。之前采用的方案一般不夠高效而且需要很多額外的電路。現在有兩種方案來解決這些挑戰，兩者都能提供所需的功能，一種是采用用戶可編程的微控制器，一種是采用全可編程的IC器件，專門應用這種定序器的設計。 舉個例子，Microchip公司推出的PIC16F1XXX系列的電源管理IC能夠處理四個、八個或者更多數量的電源軌；如圖6所示。嵌入式固件是用戶可編程的，可以按要求設置定序器屬性，支持 PG信號、上升/下降時間，同時如果電壓超出范圍或者上電失敗還提供了各種預警模式。PIC系列器件集成了10位ADC轉換器，進行數字化處理取平均值，相當于4位轉換。PIC16F1XXX系列的選擇集成的GPIO的數量包括數十個，不僅能夠用于使能電壓調節器也可以用于驅動電源軌的MOSFET，幾乎能適用于各種應用場景。
圖6：基于Microchip PIC16F1XXX系列的電源定序器具有更大的靈活性，不同電源軌之間的上電次序和時間間隔設備都很方便，內部集成的ADC轉換器則提供詳細的性能指標（來源：Microchip數據手冊） TI公司推出的一款定序專用的器件UCD90120A集成了另一項全可編程特性；如圖7所示。12個電源軌的上電次序和監測是通過PMBus總線/I2C接口，同時也包括26個可用的GPIO管腳用于其他電源相關功能，例如電源使能控制、復位和系統處理器的終端預警。結合用戶可視化界面（GUI）工程師可以建立復雜的電源軌上電/關閉安排和時序規則，如果發生任何故障還能提供詳細的系統故障分析報告；如圖8所示。
圖7：TI公司推出的UCD90120A器件專門用于電源軌的次序和監測，最多支持12個電源軌，采用PMBus/I2C總線接口支持用戶自定義設置；其他的GPIO管腳可用于其他電源相關功能
圖8：電源管理IC器件如UCD90120A結合GUI提供了強大的功能，可以建立復雜的多條電源軌的次序設置規則，同時可以通過界面觀察每個電源軌的狀態以及它們之間的時序順序（來源：TI應用筆記） 總結 電源和電源軌可能并沒有受到處理器一樣的重視，但是它們對于一個成功可靠的設計來講，它們的重要性在不斷上升，保證更高的性能和更豐富的功能，用于廣泛的應用場景如手持智能手機、各種大型儀器如農場服務器和數據中心等。管理這么多的電源軌不是件容易的事情，但是我們有很多電源和電源管理IC可用的選擇，滿足不同項目應用的功能要求。這些解決方案包括簡單的級聯順序使能上電、復雜的全可編程IC控制，提供建立和修改很多關鍵參數的能力。 |
