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电源治理IC和电源轨序次与高可靠系统设计

宣布时间:2017年08月17日 10:08    宣布者:eechina
要害词: 电源治理 , 电源轨
作者:Bill Schweber 贸泽电子

高性能IC器件如FPGA浅易都请求多条自力的直流电源轨来给器件内核、RAM、外部缓存、外部扩年夜I/O如I2C、SPI、LVDS和其它端口供应电源。这些电源轨能够是不合规格的,然则差距也浅易很小如1.2V、1.5V和1.7V,有时这些电源轨也具有异常的电压值,然则耐压才干或许物理结构职位能够纷歧样。例如WiFi群集节点接纳的高集成度的专业应用IC便可以够集成了多条电源轨,支持不合的网路功效和不合行业尺度所请求的接口电压。在天线驱动器和功率镌汰年夜器应用处景也具有双向供电特点。

电源轨的数目不只仅面向单一的IC器件,它面向的是一切完全的系统,电源轨的数目也在赓续的增添,好比增添电念头驱动、驱动MOSFET/IGBT、其他一些公用通讯接口如以太网、RS-232/422接口。是以岂论板卡尺寸年夜小,一个完全的系统能够须要更多的电源轨,完全可以接纳一个自力的DC电源调治器来驱动(也能够或许成为电源转换器)。

设计者的效果

设计者的效果是当我们接纳主电源的时间——岂论是详细的现实开看护样软件控制的开关——这些电源轨必须凭证之前全心设计的序次上电并到达事实稳固值(当关闭电源操作时也要凭证制订的断电序次);如图1所示,假定序次和相对时序不准确或许电压上升和下架的摇动频率显着会队电路组成弗成挽回的破损。

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图1:多电源轨系统的上电序次浅易是某些电源轨必须在其他电源轨上电后或许到达稳固值后才干上电,关闭的序次也年夜致云云,如上图是Altera Enpirion ES1021QI的电源轨上电序次(泉源:Altera公司)

虽然有时间不会组成弗成挽回的破损,然则弱点的上电序次能够会招致操作异常也会组成一些我们不克不及够吸收的效果:好比我们给驱动电念头的MOSFET上电了,然则电念头控制软件还没有初始化完成,控制MOSFET的操作还没有停当会发生哪些影响。虽然这些效果也不用定与正常的上电序次有关系,也能够或许是与系统电路板卡的热插拔设计有关。

为明确决这些效果我们须要接纳专业的电源治理IC(PMIC)来完成电源的上电序次和时序。功效全满的PMIC能够赞助工程师完成以下使命:

• 培植多电源轨之间有序的上电/关闭序次,互不影响
• 假定须要的话能够控制电压摇动(上升/降低)的频率
• 任何一个电源轨泛起效果不影响对其他电源轨的治理

现实上不合电源轨之间的时序是与电源轨的电压相关的而不是相对的延迟时间,不合电源轨一连上电的时间距离是以毫秒为单元的。上电规则有时很质朴,好比“电源轨A上电完成再给电源轨B上电”,虽然有时也很严重年夜,好比“只需当电源轨A和B的电压都到达稳固值才给电源轨C上电”。(重视:“上电”的界说是凭证不合应用请求来设置的,年夜部门是事实稳固电压的90%,然则某些严酷的应用处景请求到达事实电压1%以内)。

虽然在年夜部门应用中关于电压是严酷的,而不是时间距离,然则一些应用将设计的替换时间作为尺度。这类情形是能够的,假定工程师知道某个详细的电源轨能够在公正的时间内到达希冀的电压值,那么相比电压值,时序也加倍容易准确的丈量。在这些详细的场景中,好比“电源轨B上电完成后急速给电源轨A上电”便可以详细划定为“电源轨A上电50毫秒后给电源轨B上电”。可是这类措施在现实应用是必须异常当心,由于我们不克不及验证电源轨A能否到达了希冀的电压值,而不是说“在这段时间它应当上电完成了”。

基于正极状态/反映来一定电源轨的序次

滑稽的是在一些应用中时间周期较量长,不克不及用毫秒来体现。在这些应用情形中,让此外一个电源轨上电之前能够曾经之前几秒钟或许更长的时间。举个例子,好比加热器首先必须到达请求温度才干阻拦其他操作,还好比系统处置赏罚赏罚器必须阻拦校订操作才干向高压或许高功率子系统供电,然则假定我们还没有对某个要害的传感器参数阻拦验证就输入高电压,能够会组成电子系统的破损。

一些电源治理IC集成了DC/DC转换器(LDO和切换开关),供应须要的上电时序,而且对某些目的应用处景如条记本电脑(触及CPU、内存、显示器、I/O和其它尺度功效)阻拦了优化。虽然这些优化很合适目的应用处景,而且应当阻拦这样的设置,然则从本质下去看这会限制工程师对电源轨电压和其它应用类型选择的无邪性。

按一定序次给系统上电不是新泛起的请求,例如真空管曾经快被IC所镌汰了,除非一些特点的应用好比X射线发生器或许无线电/电视广播发射器——这是普遍存在的请求:灯丝必须通电而且到达事实的操作温度,金属板才会别“B+”电压所激起释放电子。关于五管AM收音机来讲这个延迟时间能够是零,关于千瓦级其他广播发射器而言能够要一连许多分钟。这个义务有时是系统操作员经由历程掀开/关闭开关手动完成的,在其它一些场景,我们可以接纳公用的电磁机械继电器,它外部集成了准时器。虽然岂论是手动操作照样基于继电器的处置赏罚赏罚妄图关于接纳FPGA的产物来讲都是可行的,这样的收音装备可以放在口袋或许公牍包外面。

从底层设计泉源

在供电序次的议论辩说中,很容易就会触及到不合电源轨的治理战略上,电源轨的控制是底层最基本的效果,我们要重视到有两个效果须要处置赏罚赏罚:定序器输入的控制旌旗暗记和每个DC调压器输入的照顾控制旌旗暗记。

首先关于第一个因素,定序器的选择必须有完善的控制旌旗暗记输入,虽然假定须要还须要供应一定数目的扩年夜旌旗暗记。这段输入端口都很质朴,浅易接纳单个GPIO(通用I/O端口)。

关于第二个因素,DC调压器必须有一个使能输入管脚,或许在调压器输入和电源轨之间增添电子开关(通常接纳MOSFET),用于控制这个开关。如图2所示,年夜多数情形下都邑选择接纳DC调压器,这类妄图的逻辑使能控制异常质朴,假定能够的话电源治理IC可以直接应用合适的电流/电压来驱动电源轨的MOSFET,而不用接纳另外的MOSFET驱动器。

不合的处置赏罚赏罚妄图,更普遍的无邪性

定序浅易被以为是电源治理IC的功效,然则这是存在歧义的。一些电源治理IC有定序功效而其他一些电源治理IC则增添了其他功效特点,例如过电流或许过电压掩护。虽然这些提升看似很值得,然则这些功效有些堆叠,以致直接与电源调压器的功效发生了抵触。其他电源治理IC没有定序功效,然则集成了监测和申报电源轨状态功效。是以一定准确的定序处置赏罚赏罚妄图不只需参考电源治理IC处置赏罚赏罚妄图也要参考非电源治理IC处置赏罚赏罚妄图。

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图2:电源治理IC输入直接控制Vreg,或许驱动外部MOSFET,在VREG和电源轨之间充当切换开关,上图中在电源Vx和电源轨VxOUT之间设置了四个MOSFET,划分是1,2,3,4(泉源:Altera数据手册)

最质朴的情形就是序次上电,也就是说每个电源轨在前一个电源轨上电完成厥后源掀开电源上电,这类妄图是最质朴不外的了。假定每个电源轨调压器都有“power good”(PG)旌旗暗记输入,下一个调压器设置“enable”(EN)使能控制输入,PG管脚毗连到EN使能输入管脚,当第一个调压器输入PG旌旗暗记就会自动让下一个调压器掀开上电,如图3所示电路毗连。

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图3:在某些应用处景异常质朴然则高效的上电妄图就是序次上电,将前一个调压器的PG输入管脚与下一个调压器的EN使能输入毗连,上图是2个TI TPS62085徐徐降低调压器供应DC电源Vout1和Vout2(泉源:TI数据手册)

这类措施是个随便任性多个DC调压器的序次毗连,然则这类妄图的效果也是无限的。虽然接纳的是序次形式(PG管脚可以毗连到不止一个EN管脚),然则无邪性很差。而且这类措施也不克不及控制时序,好比某个电源须要期待一定的距离时间才干够上电,也不克不及够处置赏罚赏罚关闭序次,况且这与上电序次不合主要。

为了战胜这些效果,带有准时器控制的复位IC可以用于上电序次,功效强年夜且无邪的555准时器IC(或许刷新版)可以用于控制序次,可以在第一个电源轨到达稳固电压或许关闭后引入一定的时间距离。这个时间距离可以经由历程调剂555准时器的某个硬件电阻来完成,是以这些效果可以经由历程设计和BOM来就处置赏罚赏罚,而不是固件。如图4所示,虽然这看似不是一个很好的处置赏罚赏罚措施,然则确切异常高效的一种,特殊是当定序效果是可见的就异常有用了,我们须要条件硬件原型板卡便可以了。

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图4:在一些设计中应用的此外一种处置赏罚赏罚妄图是接纳555型准时器IC,经由历程调治电阻值来设置不合的延迟时间

关于电源轨较多的系统则须要更年夜的无邪性,美信(Maxim)公司设计的MAX16029电源治理IC可用于四通道电源轨,延迟时间支持用户自界说,主若是经由历程外置电容完成的,如允许以防止掉落落电易掉落和启动的效果,如图5所示。四个电源轨通道是相互自力的,每个通道的输入可以用于漏极开路装备,支持输入的电源轨电压最高可达28V,合适更高电压请求的DC调压器。其他电源治理IC还具有时序设置功效,是经由历程PMBus总线接口而不是调治外部电容值或许电阻值,是以能够同时控制四个以上的电源轨输入。

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图5:美信(Maxim)公司推出的MAX16029电源治理IC应用外置电容来调治四个自力的电源轨通路的延迟时间,支持最高DC输入电压28V。(泉源:美信公司数据手册)

固件、软件供应更高等的处置赏罚赏罚妄图

关于有许多电源轨的应用,定序请求也就更严重年夜,须要周全的治理掀开/关闭操作。之前接纳的计整齐般不够高效而且须要许多特此外电路。现在有两种妄图来处置赏罚赏罚这些寻衅,二者都能供应所需的功效,一种是接纳用户可编程的微控制器,一种是接纳全可编程的IC器件,专门应用这类定序器的设计。

举个例子,Microchip公司推出的PIC16F1XXX系列的电源治理IC能够处置赏罚赏罚四个、八个或许更多数目的电源轨;如图6所示。嵌入式固件是用户可编程的,可以按请求设置定序器属性,支持 PG旌旗暗记、上升/降低时间,同时假定电压超出规模或许上电掉落败还供应了种种预警形式。PIC系列器件集成了10位ADC转换器,阻拦数字化处置赏罚赏罚取匀称值,相当于4位转换。PIC16F1XXX系列的选择集成的GPIO的数目网罗数十个,不只能够用于使能电压调治器也能够或许用于驱动电源轨的MOSFET,简直能适用于种种应用处景。

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图6:基于Microchip PIC16F1XXX系列的电源定序用具有更年夜的无邪性,不合电源轨之间的上电序次和时间距离装备都很便利,外部集成的ADC转换器则供应详细的性能目的(泉源:Microchip数据手册)

TI公司推出的一款定序公用的器件UCD90120A集成了此外一项全可编程特点;如图7所示。12个电源轨的上电序次和监测是经由历程PMBus总线/I2C接口,同时也网罗26个可用的GPIO管脚用于其他电源相关功效,例如电源使能控制、复位和系统处置赏罚赏罚器的终端预警。结适用户可视化界面(GUI)工程师可以培植严重年夜的电源轨上电/关闭部署和时序规则,假定发生任何误差还能供应详细的系统误差剖析申报;如图8所示。

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图7:TI公司推出的UCD90120A器件专门用于电源轨的序次和监测,最多支持12个电源轨,接纳PMBus/I2C总线接口支持用户自界说设置;其他的GPIO管脚可用于其他电源相关功效

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图8:电源治理IC器件如UCD90120A联络GUI供应了强年夜的功效,可以培植严重年夜的多条电源轨的序次设置规则,同时可以经由历程界面不雅不雅察每个电源轨的状态和它们之间的时序顺序(泉源:TI应用条记)

总结

电源和电源轨能够并没有遭随处置赏罚赏罚器一样的看重,然则它们关于一个告成可靠的设计来讲,它们的主要性在赓续上升,保证更高的性能和更富厚的功效,用于普遍的应用处景如手持智能手机、种种年夜型仪器如农场服务器和数据中央等。治理这么多的电源轨不是件容易的使命,然则我们有许多电源和电源治理IC可用的选择,知足不合项目应用的功效请求。这些处置赏罚赏罚妄图网罗质朴的级联序次使能上电、严重年夜的全可编程IC控制,供应培植和修改许多要害参数的才干。
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bijinyi 揭晓于 2017-10-31 10:54:32
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