電源管理的原理和方法

?

　　電源設計工程師通常采用靈活的電源監(jiān)控、時序控制和調節(jié)電路對系統進行管理。本文主要討論電源管理的原理和方法。

　　多年來，隨著系統內電源數量的增多，為了確保其安全、經濟、持續(xù)和正常的工作，特別是在使用微處理器時，對電源軌進行監(jiān)測和控制變得非常重要。確定電壓軌是超過閾值還是處于工作范圍內，以及該電壓相對于其它電壓軌是否按照正確的時序上電或斷電，這些對于系統運行的可靠性和安全性來說都是至關重要的。

　　對于這個問題，有許多解決方案。例如，利用由精密電阻分壓器、比較器和基準電壓源組成的簡單電路，就能夠檢測電壓軌上的電壓是高于還是低于規(guī)定的電平。在復位發(fā)生器中，如ADM809，將這類器件與延遲器件結合在一起，能夠使微處理器、ASIC(專用集成電路)以及DSP(數字信號處理器)等在上電時便處于復位狀態(tài)，這種類型的監(jiān)控適合于多種應用。

　　當需要監(jiān)控多路電壓軌時，會需要更多的不只是用于簡單監(jiān)控電壓的監(jiān)控IC。例如，考慮一個常見的電源時序控制需求：FPGA(現場可編程門陣列)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的內核電壓，并持續(xù)至少20ms，以避免器件上電時受到損壞。對于系統的可靠性來說，滿足這樣的時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工作一樣至關重要。

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

　　目前，許多高性能的IC都需要多路電壓。例如，提供獨立的內核電壓和I/O電壓已成為許多器件的標準。在高端系統中，每個DSP器件會需要多達四個獨立的電源。而在更多情況下，單一系統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)。

　　系統中有許多器件都可以采用標準電源電壓供電(如3.3V)，而另一些器件可能需要專用電壓。此外，某些標準電壓可能還需要用到很多不同的地方。例如，有時會需要像3.3 VANALOG和3.3 VDIGITAL這樣獨立的模擬電源和數字電源。為了提高效率(如存儲器電源軌的電流會達到數百安培)或滿足時序要求(個別器件在不同時間需要3.3 VA以及3.3 VB)，可能需要多次產生相同的電壓。所有這些因素都導致電源數量的增加。

　　電壓監(jiān)控和時序控制有時會變得極為復雜，特別是當一個系統必須設計為能夠支持上電時序控制和斷電時序控制，并能夠在工作期間的不同時間點上對不同電源軌上的所有可能故障狀況均產生多種響應時。中心電源管理控制器是解決這個難題的最佳方案。

　　隨著電源電壓數量的增加，發(fā)生故障的幾率也隨之增加。其風險與電源數量、器件數量和系統復雜程度成正比，外部因素也會增加風險。例如，如果在初始設計階段沒有完整地定義出主ASIC的特性，那么電源設計工程師必須用硬連線實現電壓監(jiān)控閾值和時序控制，但這些都可能會隨著ASIC技術指標的改變而發(fā)生變化。如果需求發(fā)生改變，那么PCB(印制電路板)必須進行修改，這顯然會影響開發(fā)進度和成本。另外，某些特定器件的電源電壓技術指標可能會在開發(fā)過程中有所改變。在這種情況下，對于任何一個中心電源系統管理器來說，易于調整電源的方法將會是非常有用的。事實上，對這種系統的電壓軌進行監(jiān)控、時序控制和調節(jié)時，靈活性是非常重要的。

　　對選定的故障保護機制和時序控制的魯棒性進行評估是一件相當龐大的工作，因此，能夠簡化這一過程的器件將加速電路板的評估，并縮短上市時間。不論是在工作現場，還是從早期PCB開發(fā)到原型評估的各個設計階段，故障記錄以及數字化的電壓和溫度數據都是很有用的特性。

　　基本監(jiān)控

　　下圖所示為利用ADCMP361監(jiān)控多路電壓軌的簡單方法，這是一款內置基準電壓的雙極性輸出、±0.275%精度的比較器 。由于ADCMP361內置400mV高精度基準電壓源，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，并為每一路電源設置一個欠壓跳變點。所有的輸出被連接在一起，產生通用電源良好信號。

?

　　基于比較器的欠壓檢測，提供通用電源良好輸出，可用于3路電源系統

　　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，近年來復雜系統中電壓軌的數量大幅增加。當需要監(jiān)控多路電壓軌時，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可提供預調電壓閾值，ADM1184可提供4個高精度(±0.8%)的可調輸入信號，能夠利用外部電阻分壓器網絡設置跳變閾值。

　　多電壓監(jiān)控器

　　表1 多電壓監(jiān)控器

?

　　更小的工藝尺寸正在推動內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，而且必須遵守嚴格的調節(jié)和瞬態(tài)指標。低壓時余量的不足可能會引起預想不到的器件行為。例如，如果電源電壓下降到電信ASIC的閾值以下，芯片的工作會出現異常，可能導致正在發(fā)送的信息被破壞或者數據丟失。隨著內核電壓的下降，對高精度電壓監(jiān)控器的要求將更加苛刻，如圖所示。

?

　　圖 需要高精度監(jiān)控器

　　在這個例子中，1 V穩(wěn)壓電源實際的電壓范圍是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的可調輸入在整個溫度范圍內的精度高達±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。