工程师在新设计中必须考虑的电源问题

我们常常想当然地为印刷电路板上的电路上电，殊不知这可能造成破坏以及有损或无损闩锁状况。随着片上系统（SoC） IC越来越多，对电源进行时序控制和管理的需求也越来越多……

虽然ADI的数据手册通常会提供足够的信息，指导您针对各IC设计正确的上电序列。然而，某些IC明确要求定义恰当的上电序列。在使用多个电源的IC中，如转换器（包括ADC和DAC）、DSP、音频/视频、射频及许多其它混合信号IC中，这一要求相当常见。

今天我们就通过2个栗子讨论下设计工程师在新设计中必须考虑的某些更微妙的电源问题，特别是当IC需要多个不同的电源时。目前，一些较常用的电源电压是：+1.8 V、+2.0 V、+2.5 V、 +3.3 V、+5 V、−5 V、+12 V和−12 V。

栗子

01

PULSAR ADC示例——绝对最大额定值

ADI的所有数据手册都含有“绝对最大额定值”（AMR） 部分，它说明为避免造成破坏，对引脚或器件可以施加的最大电压、电流或温度。AD7654 PulSAR 16位ADC是采用三个（或更多）独立电源的混合信号ADC的范例。这些ADC需要数字电源（DVDD）、模拟电源（AVDD）和数字输入/输出电源（OVDD）。它们是ADC，用于将模拟信号转换成数字代码，因此需要一个模拟内核来处理传入的模拟输入。数字内核负责处理位判断过程和控制逻辑。I/O内核用于设置数字输出的电平，以便与主机逻辑接口（电平转换）。ADC的电源规格可以在相应数据手册的“绝对最大额定值”部分找到。表1摘自AD7654数据手册的“绝对最大额定值”部分。

表1. AD7654的绝对最大额定值

注意，表1中所有三个电源的范围都是−0.3 V至+7 V。相对于 DVDD和OVDD，AVDD的范围是+7 V至−7 V，这就确认 了AVDD和DVDD无论哪一个先上电都是可行的。此外， AVDD和OVDD无论哪一个先上电也是可行的。然而，DVDD与OVDD之间存在限制。技术规格规定，OVDD最多只能比DVDD高0.3 V，因此DVDD必须在OVDD之前或与之同时上电。如果OVDD先上电（假设5 V），则DVDD在上电时比OVDD低5 V，这不符合“绝对最大额定值”要求，可能会损坏器件。

模拟输入INAx、INBx、REFx、INxN和REFGND的限制是：这些输入不得超过AVDD + 0.3 V或AGND − 0.3 V。这说明，如果模拟信号或基准电压源先于AVDD存在，则模拟内核很可能会上电到闩锁状态。这通常是一种无损状况，但流经AVDD的电流很容易逐步升至标称电流的10 倍，导致ADC变得相当热。这种情况下，内部静电放电 （ESD）二极管变为正偏，进而使模拟电源上电。为解决这个问题，输入和/或基准电压源在ADC上电时应处于未上电或未连接状态。

同样，数字输入电压范围为−0.3 V至DVDD + 0.3 V。这说明，数字输入必须小于DVDD + 0.3 V。因此，在上电时， DVDD必须先于微处理器/逻辑接口电路或与之同时上电。与上述模拟内核情况相似，这些引脚上的ESD二极管也可能变为正偏，使数字内核上电到未知状态。

AD7621、AD7622、AD7623、AD7641和AD7643等PulSAR ADC速度更快，是该系列的新型器件，采用更低的2.5 V电 源（AD7654则采用5 V电源）。AD7621和AD7623具有明确规定的上电序列。表2摘自AD7621数据手册的“绝对最大额定值”部分。

表2. AD7621的绝对最大额定值

同样，OVDD与DVDD之间存在限制。“绝对最大额定值”规定：OVDD必须小于或等于DVDD + 0.3 V，而DVDD则必须小于2.3 V。一旦DVDD在上电期间达到2.3 V，该限制便不再适用。如果不遵守该限制，AD7621（和AD7623）可能会受损（见图1）。

图1. 可能的上电/关断序列—AD7621

因此，一般上电序列可能是这样的：AVDD、DVDD、 OVDD、VREF。但是，每个应用都不一样，需要具体分析。注意，器件关断与器件上电同样重要，切记遵守同样的规格要求。图1所示为AD7621的典型上电/关断序列。

对于这些ADC，模拟输入和基准电压源的情况与上文所述相同。对任何模拟输入引脚施加电压都可能导致ESD二极管变为正偏，从而使模拟内核上电到未知状态。

这些ADC的数字输入和输出略有不同，因为这些器件应支持5 V数字输入。这些ADC是AD7654的速度升级版本，数字输入和输出均与OVDD电源相关，因为它能支持更高的3.3 V电压。注意：数字输入限制为5.5 V，而AD7654则为DVDD + 0.3 V。

栗子

02

Σ-Δ型ADC示例

AD7794 Σ-Δ型24位ADC是另一个很好的例子。表3摘自 AD7794数据手册的“绝对最大额定值”部分。

表3. AD7794的绝对最大额定值

该ADC的问题与基准电压有关，它必须小于AVDD + 0.3 V。因此，AVDD必须先于基准电压或与之同时上电。

AD7794产品详情：

最高23位有效分辨率

均方根（RMS）噪声：40 nV（4.17 Hz时），85 nV（16.7 Hz时）

功耗：400 µA（典型值）

省电模式：最大1 µA

低噪声可编程增益仪表放大器

带隙基准电压源，典型漂移值为4 ppm/°C

更新速率：4.17 Hz～470 Hz

6个差分模拟输入

内部时钟振荡器

50 Hz/60 Hz同时抑制

基准电压检测

可编程电流源

电源时序控制器

ADI提供许多电源时序控制器件。一般而言，其工作原理是：当第一个调节器的输出电压达到预设阈值时，就会开始一段时间延迟，延迟结束后才会使能后续调节器上电。关断期间的程序与此相似。时序控制器也可以用于控制电源良好信号等逻辑信号的时序，例如：对器件或微处理器施加一个复位信号，或者简单地指示所有电源均有效。

最后的建议

如今大部分要求高速和低功耗的电路PCB上都需要多个电源，例如：+1.8 V、+2.0 V、+2.5 V、+3.3 V、+5 V、−5 V、 +12 V和−12 V。为PCB上的这些电源供电并不是一件轻而易举的事情。必须仔细分析，设计一个正确可靠的上电和关断序列。采用分立设计变得越来越困难，解决之道就是采用电源时序控制IC，只要改变一下代码就能改变上电顺序，而不用变更PCB布局布线。

责任编辑：haq