电源管理的原理和方法

　　电源设计工程师通常采用灵活的电源监控、时序控制和调节电路对系统进行管理。本文主要讨论电源管理的原理和方法。

　　多年来，随着系统内电源数量的增多，为了确保其安全、经济、持续和正常的工作，特别是在使用微处理器时，对电源轨进行监测和控制变得非常重要。确定电压轨是超过阈值还是处于工作范围内，以及该电压相对于其它电压轨是否按照正确的时序上电或断电，这些对于系统运行的可靠性和安全性来说都是至关重要的。

　　对于这个问题，有许多解决方案。例如，利用由精密电阻分压器、比较器和基准电压源组成的简单电路，就能够检测电压轨上的电压是高于还是低于规定的电平。在复位发生器中，如ADM809，将这类器件与延迟器件结合在一起，能够使微处理器、ASIC(专用集成电路)以及DSP(数字信号处理器)等在上电时便处于复位状态，这种类型的监控适合于多种应用。

　　当需要监控多路电压轨时，会需要更多的不只是用于简单监控电压的监控IC。例如，考虑一个常见的电源时序控制需求：FPGA(现场可编程门阵列)制造商规定，在向器件提供5V I/O(输入/输出)电压之前，必须先施加3.3V的内核电压，并持续至少20ms，以避免器件上电时受到损坏。对于系统的可靠性来说，满足这样的时序要求就像要保证器件在规定的电源电压和温度范围内工作一样至关重要。

　　随着应用的发展，电源轨数量也在显著增加。一些复杂、昂贵的系统，如LAN(局域网)交换机和蜂窝电话基站，线路卡通常会包含10路或更多电压轨;即使是成本敏感的消费类系统，如等离子电视，也可能具有多达15路的独立电压轨，其中许多电压轨都需要进行监控和时序控制。

　　目前，许多高性能的IC都需要多路电压。例如，提供独立的内核电压和I/O电压已成为许多器件的标准。在高端系统中，每个DSP器件会需要多达四个独立的电源。而在更多情况下，单一系统中可能存在着大量的多电源器件，包括FPGA、ASIC、DSP、微处理器和微控制器(以及模拟器件)。

　　系统中有许多器件都可以采用标准电源电压供电(如3.3V)，而另一些器件可能需要专用电压。此外，某些标准电压可能还需要用到很多不同的地方。例如，有时会需要像3.3 VANALOG和3.3 VDIGITAL这样独立的模拟电源和数字电源。为了提高效率(如存储器电源轨的电流会达到数百安培)或满足时序要求(个别器件在不同时间需要3.3 VA以及3.3 VB)，可能需要多次产生相同的电压。所有这些因素都导致电源数量的增加。

　　电压监控和时序控制有时会变得极为复杂，特别是当一个系统必须设计为能够支持上电时序控制和断电时序控制，并能够在工作期间的不同时间点上对不同电源轨上的所有可能故障状况均产生多种响应时。中心电源管理控制器是解决这个难题的最佳方案。

　　随着电源电压数量的增加，发生故障的几率也随之增加。其风险与电源数量、器件数量和系统复杂程度成正比，外部因素也会增加风险。例如，如果在初始设计阶段没有完整地定义出主ASIC的特性，那么电源设计工程师必须用硬连线实现电压监控阈值和时序控制，但这些都可能会随着ASIC技术指标的改变而发生变化。如果需求发生改变，那么PCB(印制电路板)必须进行修改，这显然会影响开发进度和成本。另外，某些特定器件的电源电压技术指标可能会在开发过程中有所改变。在这种情况下，对于任何一个中心电源系统管理器来说，易于调整电源的方法将会是非常有用的。事实上，对这种系统的电压轨进行监控、时序控制和调节时，灵活性是非常重要的。

　　对选定的故障保护机制和时序控制的鲁棒性进行评估是一件相当庞大的工作，因此，能够简化这一过程的器件将加速电路板的评估，并缩短上市时间。不论是在工作现场，还是从早期PCB开发到原型评估的各个设计阶段，故障记录以及数字化的电压和温度数据都是很有用的特性。

　　基本监控

　　下图所示为利用ADCMP361监控多路电压轨的简单方法，这是一款内置基准电压的双极性输出、±0.275%精度的比较器 。由于ADCMP361内置400mV高精度基准电压源，因此可以精确的监控非常低的电压，例如0.9V 的电压轨。其中，每路电压轨都使用独立的电路。电阻分压器将电压轨按比例降低，并为每一路电源设置一个欠压跳变点。所有的输出被连接在一起，产生通用电源良好信号。

　　基于比较器的欠压检测，提供通用电源良好输出，可用于3路电源系统

　　由于采用更低电源电压的新工艺的发展，加上遗留的I/O电压要求，近年来复杂系统中电压轨的数量大幅增加。当需要监控多路电压轨时，可以使用能分别监控两路或三路电压轨的多电压监控器，如ADM13305以及ADM13307。ADM6710与ADM1184还可以监控四路电压轨。ADM6710可提供预调电压阈值，ADM1184可提供4个高精度(±0.8%)的可调输入信号，能够利用外部电阻分压器网络设置跳变阈值。

　　多电压监控器

　　表1 多电压监控器

　　更小的工艺尺寸正在推动内核电压向更低的方向发展。通常在大电流情况下，必须有效地提供低电压，而且必须遵守严格的调节和瞬态指标。低压时余量的不足可能会引起预想不到的器件行为。例如，如果电源电压下降到电信ASIC的阈值以下，芯片的工作会出现异常，可能导致正在发送的信息被破坏或者数据丢失。随着内核电压的下降，对高精度电压监控器的要求将更加苛刻，如图所示。

　　图 需要高精度监控器

　　在这个例子中，1 V稳压电源实际的电压范围是0.97 V～1.03 V。微处理器可接受的核心电压是1 V (±5%)，即0.95 V～1.05 V。因此，欠压监控范围为2%。而ADM13305、ADM13307与ADM1184的可调输入在整个温度范围内的精度高达±0.8%，电阻分压器的精度为±0.1%，这使得欠压电平监控精度范围能保持在2%以内。