详解电源电压轨监控集成电源系统管理

简介

电源设计人员正在使用灵活的电源监控，排序和调整电路来管理他们的系统。本文讨论了原因和方法。

多年来对越来越多的电源电压轨的监控对于电子系统的安全性，经济性，耐用性和正常运行至关重要 - 尤其对于采用微处理器的系统。确定电压轨是否高于阈值或在操作窗口内 - 以及该电压是否以相对于其他轨道的正确顺序通电或断电 - 对于操作可靠性和安全性至关重要。

存在许多方法来解决该问题的各个方面。例如，可以使用使用精密电阻分压器，比较器和参考的简单电路来确定轨道上的电压是高于还是低于某个水平。在复位发生器（例如ADM803）中，这些元件与延迟元件组合在一起，用于保存设备，如微处理器，专用IC（ASIC）和数字信号处理器（DSP）-in <上电时em> reset 。这种级别的监控对于许多应用来说都是足够的。

在需要监控多个电源轨的情况下，并联使用多个设备（或多通道比较器及其相关电路），但增加机会要求监控IC不仅仅是简单的阈值比较。

例如，考虑电源排序的常见要求：FPGA（现场可编程门阵列）制造商可能会指定必须在5-VI / O之前20 ms施加3.3 V核心电压（输入/输出）电压，以避免设备通电时可能造成的损坏。满足这样的时序要求对于可靠性至关重要，因为将器件的电源电压和温度保持在规定的工作范围内。

此外，许多应用中的电源轨数量也大幅增加。复杂，昂贵的系统，例如LAN交换机和蜂窝基站，通常具有带10个或更多电压轨的线卡;但即使对成本敏感的消费类系统，如等离子电视，也可能有多达15个独立的电压轨，其中许多可能需要监控和排序。

现在许多高性能IC需要多个电压。例如，单独的核心和I / O电压是许多设备的标准。在高端，DSP可能每个设备最多需要四个独立的电源。在许多情况下，许多多供电设备可以共存于一个包含FPGA，ASIC，DSP，微处理器和微控制器（以及模拟组件）的系统中。

许多设备共享标准电压等级（如3.3） V），而其他可能需要特定于器件的电压。另外，特定的标准电压电平可能必须在许多地方独立提供。例如，可能需要单独的模拟和数字电源，例如3.3 V _ANALOG 和3.3 V _DIGITAL 。可能需要多次生成相同的电压以提高效率（例如，运行在数百安培的存储器轨）或满足排序要求（3.3 V _A 和3.3 V _B 在不同的时间由不同的设备需要）。所有这些因素都会导致电压源的扩散。

电压监控和排序可能变得非常复杂，尤其是在系统必须设计为支持上电序列，断电序列以及对不同点上各个供电轨上所有可能故障条件的多个响应时操作。中央电源管理控制器是解决此问题的最佳方法。

随着电源电压的增加，出现问题的可能性要高得多。风险与供应数量，元素数量和系统复杂性成比例增加。外部因素也增加了风险。例如，如果在初始设计时主ASIC没有完全表征，则电源设计人员必须承诺硬连线电压监控阈值和时序，这些阈值和时序可能随着ASIC规范的发展而变化。如果要求发生变化，可能需要修改PC板 - 具有明显的进度和成本影响。此外，某些器件的电源电压规格可能会在开发过程中发生变化。在这种情况下，一种容易调整供应的方法对任何中央电力系统管理者都是有用的。事实上，监控，排序和调整此类系统的电压轨的灵活性是至关重要的。

评估所选故障保护和时序的稳健性可能是一项相当大的工作，因此设备简化此过程将加快电路板评估并缩短产品上市时间。故障记录和数字化电压和温度数据是从早期PCB开发到原型评估的现场和设计的所有阶段的有用功能。

基本监测

图1显示了使用ADCMP354比较器和参考IC监控多个电压轨的简单方法。每个轨道使用单独的电路。电阻分压器将电压轨缩小，为每个电源设置欠压跳变点。所有输出连接在一起以生成共同的电源良好信号。

基本测序

图2显示了如何使用逻辑阈值而不是比较器，使用分立元件实现基本测序。其他地方生成了12 V和5 V电源轨。必须引入时间延迟以确保系统正常运行。这是通过使用电阻 - 电容（RC）组合来缓慢地使n沟道FET上的栅极电压与5V电源串联来实现的。选择RC值以确保在FET达到其电压阈值并开始导通之前有足够的时间延迟。采用ADP3330和ADP3333低压差（LDO）稳压器产生3.3V和1.8V电压轨。这些电压的导通时间也由RC排序。由于RC驱动每个LDO的关断（/ SD）引脚，因此不需要串联FET。选择RC值以确保在电压上有足够的时间延迟（ t ₂ ， t ₃ ） / SD引脚超过其阈值。

这种简单，低成本的电源排序方法占用的电路板面积很小，在许多应用中都是完全可以接受的。它适用于成本是主要驱动因素，时序要求简单且测序电路精度不高的系统。

但许多情况需要比RC滞后电路更高的精度。此外，这种简单的解决方案不允许以结构化方式处理故障（例如，5V电源故障最终会导致其他电压轨损坏）。

使用IC进行排序

图3显示了ADM6820和ADM1086电源排序IC如何用于在类似系统中准确可靠地对电源轨进行排序。内部比较器检测电压轨何时超过精确设定的电平。输出在可编程导通延迟后置位，使ADP3309和ADP3335调节器按所需顺序启用。阈值由阻力比确定;延迟由电容器确定。

提供各种电源排序IC。某些设备具有可用于直接启用电源模块的输出，并且可提供多种输出配置。其中一些包括板载电荷泵电压发生器。这对于需要对上游产生但缺少高压源（例如12 V轨）的轨道进行排序以驱动 n - 通道FET栅极的低压系统尤其有用。其中许多设备还具有启用引脚，允许外部信号 - 来自按钮开关或控制器 - 重新启动序列或在需要时关闭受控导轨。

集成电源系统管理

有些系统有如此多的电源轨，使用大量IC的离散方法，以及使用电阻和电容设置时序和阈值电平变得过于复杂和昂贵，并且无法提供足够的性能。

考虑一个具有八个电压轨的系统，需要复杂的上电序列。必须监控每个导轨的欠压和过压故障。在发生故障时，可以关闭所有电压，或者可以启动断电序列，具体取决于故障机制。必须根据控制信号的状态采取措施，并且必须根据电源的状态生成标志。使用分立器件和简单IC实现这种复杂性的电路可能需要数百个独立元件，大量的电路板空间以及显着的组合成本。

在具有四个或更多电压的系统中，它可能会感觉使用集中式设备来管理电源。图4中可以看到这种方法的一个例子。

集中监控和测序

ADM106x超级序列发生器^™ 系列继续使用比较器，但有一些重要的区别。两个比较器专用于每个输入，因此可以实现欠压和过压检测，从而为ADP1821和ADP2105 DC-DC转换器和ADP1715 LDO产生的电压轨提供窗口监控。欠压故障是导轨上电前的正常情况，因此该指示用于排序。过压条件通常表示存在严重故障 - 例如FET或电感短路 - 并要求立即采取措施。

具有较高电源数量的系统通常具有更高的复杂性，因此具有更严格的精度限制。此外，在较低的电压（例如1.0 V和0.9 V）下，使用电阻设置精确的阈值会变得具有挑战性。虽然在5 V电压轨上可以接受10％的容差，但在1 V电压轨上这种容差通常是不够的。 ADM1066允许将输入检测器比较器阈值设置在1％的最差情况下，与电压（低至0.6 V）无关，并且在器件的整个温度范围内。它为每个比较器增加了内部毛刺滤波和迟滞。其逻辑输入可用于启动上电序列，关闭所有电源轨或执行其他功能。

来自比较器组的信息，可输入功能强大且灵活的舞台机器核心，可以可用于各种目的：

排序：当输出电压为最近启用的电源进入窗口，可以触发时间延迟以在上电序列中打开下一个电源轨。可以进行复杂的测序，具有多个上电和断电序列，或者用于上电和断电的完全不同的序列。

超时：如果已启用的导轨未按预期启动，则可采取适当的措施（例如生成中断或关闭系统）。纯模拟解决方案只会挂在序列中的那一点。

监控：如果任何导轨上的电压超出预设窗口，可采取适当的措施取决于发生故障的轨道，发生的故障类型以及当前的运行模式。具有五个以上电源的系统通常很昂贵，因此全面的故障保护至关重要。

板载电荷泵用于产生大约12 V的电源驱动器，即使最高可用系统电压低至3 V，也允许输出直接驱动串联 n - 通道FET。额外的输出启用或关闭DC-DC转换器或稳压器，允许输出在内部上拉至其中一个输入或板载稳压电压。输出也可以断开漏极。输出也可用作状态信号，例如电源良好或电源开启复位。如果需要，可以直接从输出驱动状态LED。

电源调整

除了监控多个电压轨并为复杂排序提供解决方案外，集成电源管理器件（如ADM1066）还提供临时或永久调整各轨电压的工具。通过调节该器件的微调或反馈节点处的电压，可以改变DC-DC转换器或稳压器的电压输出。通常，模块的输出和地之间的电阻分压器在调整/反馈引脚处设置标称电压。这反过来又设定了标称输出电压。涉及在反馈环路中切换额外电阻或控制可变电阻的简单方案将改变调整/反馈电压，从而调整输出电压。

ADM1066配备数模转换器（DAC）至提供对修剪/反馈节点的直接控制。为了获得最大效率，这些DAC不能在地和最大电压之间工作;相反，它们在以标称修整/反馈水平为中心的相对窄的窗口上操作。衰减电阻的值随着DAC的每次LSB变化而缩放功率模块输出的增量变化。这种开环调整提供了与参考电路中数字电阻切换相当的裕量上升和裕量下降电平，并将输出调整到类似的精度。

ADM1066还包括一个12用于测量电源电压的位模数转换器（ADC），因此可以实现闭环电源调整方案。在给定的DAC输出设置下，电源模块的电压输出由ADC数字化，并与软件中的目标电压进行比较。然后可以调节DAC以尽可能接近地校准电压输出到目标电压。这种闭环方案为供应调整提供了非常准确的方法。采用闭环方法，外部电阻的精度完全无关紧要。在图4中，DC-DC4的输出电压由片内DAC之一调整。

电源调整方案有两个主要用途。第一个是余量电源的概念，即测试系统在设备指定电源电压范围的边缘运行其电源的响应。数据通信，电信，蜂窝基础设施，服务器和存储区域网络设备的制造商需要在向最终客户发货之前对其系统进行严格测试。系统中的所有电源都将被指定以一定的容差运行（例如，±5％，±10％）。裕度调节允许将板上的所有电源调整到公差范围的高端和低端，并进行测试以确保正确操作。具有电源调整功能的集中式电源管理器件可用于执行此裕量测试，同时最大限度地减少在制造商的测试现场的裕量测试期间执行仅需要一次的功能所需的额外组件和PCB区域的需求。

四个角落测试，即在设备的工作电压和温度范围内进行测试，通常是必需的，因此ADM1062除了闭环电源外，还集成了温度感应和回读功能。电源裕量电路。

电源调整方案的第二个用途是补偿现场的系统电源变化。这种变化有很多原因。短期来看，电压随温度变化而略微变化是很常见的。从长期来看，某些元件值可能会在产品的整个使用寿命期间略微漂移，从而导致电压漂移。 ADC和DAC环路可以定期激活（例如，每10,30或60秒），并与软件校准环路一起使用，以保持电压位置。

灵活性

ADM1066具有板载非易失性存储器，可根据需要对其进行多次重新编程，同时系统的排序和监控需求在开发过程中不断发展。这意味着硬件设计可以在原型过程的早期完成，并且可以在项目进展时完成监控和排序的优化。

数字温度等功能 - 和电压测量简化并加快了评估过程。裕度调节工具将允许在开发周期期间调整电压轨。因此，在关键的ASIC，FPGA或处理器也处于开发阶段，并且随着新的硅片修订版本出厂时，电源电压电平或时序要求处于不稳定状态，可以通过软件GUI进行简单的调整。因此，可以在几分钟内对电源管理设备进行重新编程，以便将更改考虑在内，而无需物理更换电路板上的组件，或者更糟糕的是 - 重新设计硬件。

结论

越来越多的电压轨和电源排序的出现增加了对各种设备和系统中电源设计人员的需求 - 包括笔记本电脑，机顶盒，和汽车系统，服务器和存储，蜂窝基站以及互联网路由和交换系统。更严格的测试程序，新的信息收集水平以及快速简单的可编程性也令人感兴趣，特别是在中高端系统中。为了提高稳健性和可靠性，以及增加这些重要的新功能，有许多新的电源管理集成电路可以帮助安全，高效地解决这些问题，同时最小化电路板面积，同时缩短产品上市时间。