电源管理IC和电源轨次序与高可靠系统设计

2017年08月17日 10:08    eechina
关键词: 电源管理 , 电源轨
作者:Bill Schweber 贸泽电子

高性能IC器件如FPGA一般都要求多条独立的直流电源轨来给器件内核、RAM、内部缓存、外部扩展I/O如I2C、SPI、LVDS以及其它端口提供电源。这些电源轨可能是不同规格的,但是差距也一般很小如1.2V、1.5V和1.7V,有时这些电源轨也具有同样的电压值,但是耐压能力或者物理布局位置可能不一样。例如WiFi网络节点采用的高集成度的专业应用IC就可能集成了多条电源轨,支持不同的网路功能以及不同行业标准所要求的接口电压。在天线驱动器和功率放大器应用场景也具备双向供电特性。

电源轨的数量不仅仅面向单一的IC器件,它面向的是整个完整的系统,电源轨的数量也在不断的增加,比如增加电动机驱动、驱动MOSFET/IGBT、其他一些专用通信接口如以太网、RS-232/422接口。因此无论板卡尺寸大小,一个完整的系统可能需要更多的电源轨,完全可以采用一个独立的DC电源调节器来驱动(也可以成为电源转换器)。

设计者的问题

设计者的问题是当我们采用主电源的时候——无论是具体的实际开关还是软件控制的开关——这些电源轨必须按照之前精心设计的次序上电并达到最终稳定值(当关闭电源操作时也要按照制定的断电次序);如图1所示,如果次序和相对时序不正确或者电压上升和下架的波动频率明显会队电路造成不可挽回的损坏。

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图1:多电源轨系统的上电次序一般是某些电源轨必须在其他电源轨上电后或者达到稳定值后才能上电,关闭的次序也大致如此,如上图是Altera Enpirion ES1021QI的电源轨上电次序(来源:Altera公司)

尽管有时候不会造成不可挽回的破坏,但是错误的上电次序可能会导致操作异常也会造成一些我们不能够接受的结果:比如我们给驱动电动机的MOSFET上电了,但是电动机控制软件还没有初始化完成,控制MOSFET的操作还没有就绪会产生哪些影响。当然这些问题也不一定与正常的上电顺序有关系,也可能是与系统电路板卡的热插拔设计有关。

为了解决这些问题我们需要采用专业的电源管理IC(PMIC)来实现电源的上电次序和时序。功能全满的PMIC能够帮助工程师完成以下工作:

• 建立多电源轨之间有序的上电/关闭次序,互不影响
• 如果需要的话能够控制电压波动(上升/下降)的频率
• 任何一个电源轨出现问题不影响对其他电源轨的管理

实际上不同电源轨之间的时序是与电源轨的电压相关的而不是绝对的延迟时间,不同电源轨连续上电的时间间隔是以毫秒为单位的。上电规则有时很简单,比如“电源轨A上电完成再给电源轨B上电”,当然有时也很复杂,比如“只有当电源轨A和B的电压都达到稳定值才给电源轨C上电”。(注意:“上电”的定义是根据不同应用要求来设置的,大部分是最终稳定电压的90%,但是某些严格的应用场景要求达到最终电压1%以内)。

尽管在大部分应用中对于电压是严格的,而不是时间间隔,但是一些应用将设计的替换时间作为标准。这种情况是可能的,如果工程师知道某个具体的电源轨能够在合理的时间内达到期望的电压值,那么相比电压值,时序也更加容易精确的测量。在这些具体的场景中,比如“电源轨B上电完成后立刻给电源轨A上电”就可以具体规定为“电源轨A上电50毫秒后给电源轨B上电”。然而这种方法在实际应用是必须非常小心,因为我们不能验证电源轨A是否达到了期望的电压值,而不是说“在这段时间它应该上电完成了”。

基于正极状态/反馈来确定电源轨的次序

有趣的是在一些应用中时间周期比较长,不能用毫秒来表示。在这些应用情形中,让另一个电源轨上电之前可能已经过去几秒钟或者更长的时间。举个例子,比如加热器首先必须达到要求温度才能进行其他操作,还比如系统处理器必须进行校正操作才能向高压或者高功率子系统供电,但是如果我们还没有对某个关键的传感器参数进行验证就输出高电压,可能会造成电子系统的损坏。

一些电源管理IC集成了DC/DC转换器(LDO和切换开关),提供必要的上电时序,并且对某些目标应用场景如笔记本电脑(涉及CPU、内存、显示器、I/O和其它标准功能)进行了优化。尽管这些优化很适合目标应用场景,并且应该进行这样的设置,但是从本质上来看这会限制工程师对电源轨电压和其它应用类型选择的灵活性。

按一定次序给系统上电不是新出现的要求,例如真空管已经快被IC所淘汰了,除非一些特性的应用比如X射线发生器或者无线电/电视广播发射器——这是普遍存在的要求:灯丝必须通电并且达到最终的操作温度,金属板才会别“B+”电压所激发释放电子。对于五管AM收音机来讲这个延迟时间可能是零,对于千瓦级别的广播发射器而言可能要持续很多分钟。这个任务有时是系统操作员通过打开/关闭开关手动完成的,在其它一些场景,我们可以采用专用的电磁机械继电器,它内部集成了定时器。当然不管是手动操作还是基于继电器的解决方案对于采用FPGA的产品来讲都是可行的,这样的收音设备可以放在口袋或者公文包里面。

从底层设计开始

在供电次序的讨论中,很容易就会涉及到不同电源轨的管理策略上,电源轨的控制是底层最基本的问题,我们要注意到有两个问题需要解决:定序器输出的控制信号以及每个DC调压器输入的响应控制信号。

首先对于第一个因素,定序器的选择必须有完善的控制信号输出,当然如果需要还需要提供一定数量的扩展信号。这段输出端口都很简单,一般采用单个GPIO(通用I/O端口)。

对于第二个因素,DC调压器必须有一个使能输入管脚,或者在调压器输入和电源轨之间增加电子开关(通常采用MOSFET),用于控制这个开关。如图2所示,大多数情况下都会选择采用DC调压器,这种方案的逻辑使能控制非常简单,如果可能的话电源管理IC可以直接使用合适的电流/电压来驱动电源轨的MOSFET,而不用采用另外的MOSFET驱动器。

不同的解决方案,更广泛的灵活性

定序一般被认为是电源管理IC的功能,但是这是存在歧义的。一些电源管理IC有定序功能而其他一些电源管理IC则增加了其他功能特性,例如过电流或者过电压保护。尽管这些提升看似很值得,但是这些功能有些重叠,甚至直接与电源调压器的功能产生了冲突。其他电源管理IC没有定序功能,但是集成了监测和报告电源轨状态功能。因此确定正确的定序解决方案不仅要参考电源管理IC解决方案也要参考非电源管理IC解决方案。

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图2:电源管理IC输出直接控制Vreg,或者驱动外部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,分别是1,2,3,4(来源:Altera数据手册)

最简单的情形就是顺序上电,也就是说每个电源轨在前一个电源轨上电完成后开始打开电源上电,这种方案是最简单不过的了。如果每个电源轨调压器都有“power good”(PG)信号输出,下一个调压器设置“enable”(EN)使能控制输入,PG管脚连接到EN使能输入管脚,当第一个调压器输出PG信号就会自动让下一个调压器打开上电,如图3所示电路连接。

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图3:在某些应用场景非常简单但是高效的上电方案就是顺序上电,将前一个调压器的PG输出管脚与下一个调压器的EN使能输入连接,上图是2个TI TPS62085逐步降低调压器提供DC电源Vout1和Vout2(来源:TI数据手册)

这种方法是个任意多个DC调压器的顺序连接,但是这种方案的效果也是有限的。尽管采用的是顺序模式(PG管脚可以连接到不止一个EN管脚),但是灵活性很差。而且这种方法也不能控制时序,比如某个电源需要等待一定的间隔时间才能够上电,也不能够解决关闭次序,况且这与上电次序同等重要。

为了克服这些问题,带有定时器控制的复位IC可以用于上电次序,功能强大且灵活的555定时器IC(或者改进版)可以用于控制次序,可以在第一个电源轨达到稳定电压或者关闭后引入一定的时间间隔。这个时间间隔可以通过调整555定时器的某个硬件电阻来实现,因此这些问题可以通过设计和BOM来就解决,而不是固件。如图4所示,尽管这看似不是一个很好的解决方法,但是确实非常高效的一种,尤其是当定序问题是可见的就非常有用了,我们需要条件硬件原型板卡就可以了。

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图4:在一些设计中使用的另一种解决方案是采用555型定时器IC,通过调节电阻值来设置不同的延迟时间

对于电源轨较多的系统则需要更大的灵活性,美信(Maxim)公司设计的MAX16029电源管理IC可用于四通道电源轨,延迟时间支持用户自定义,主要是通过外置电容实现的,这样可以避免掉电易失和启动的问题,如图5所示。四个电源轨通道是互相独立的,每个通道的输出可以用于漏极开路配置,支持输出的电源轨电压最高可达28V,适合更高电压要求的DC调压器。其他电源管理IC还具有时序设置功能,是通过PMBus总线接口而不是调节外部电容值或者电阻值,因此能够同时控制四个以上的电源轨输出。

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图5:美信(Maxim)公司推出的MAX16029电源管理IC使用外置电容来调节四个独立的电源轨通路的延迟时间,支持最高DC输出电压28V。(来源:美信公司数据手册)

固件、软件提供更高级的解决方案

对于有很多电源轨的应用,定序要求也就更复杂,需要全面的管理打开/关闭操作。之前采用的方案一般不够高效而且需要很多额外的电路。现在有两种方案来解决这些挑战,两者都能提供所需的功能,一种是采用用户可编程的微控制器,一种是采用全可编程的IC器件,专门应用这种定序器的设计。

举个例子,Microchip公司推出的PIC16F1XXX系列的电源管理IC能够处理四个、八个或者更多数量的电源轨;如图6所示。嵌入式固件是用户可编程的,可以按要求设置定序器属性,支持 PG信号、上升/下降时间,同时如果电压超出范围或者上电失败还提供了各种预警模式。PIC系列器件集成了10位ADC转换器,进行数字化处理取平均值,相当于4位转换。PIC16F1XXX系列的选择集成的GPIO的数量包括数十个,不仅能够用于使能电压调节器也可以用于驱动电源轨的MOSFET,几乎能适用于各种应用场景。

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图6:基于Microchip PIC16F1XXX系列的电源定序器具有更大的灵活性,不同电源轨之间的上电次序和时间间隔设备都很方便,内部集成的ADC转换器则提供详细的性能指标(来源:Microchip数据手册)

TI公司推出的一款定序专用的器件UCD90120A集成了另一项全可编程特性;如图7所示。12个电源轨的上电次序和监测是通过PMBus总线/I2C接口,同时也包括26个可用的GPIO管脚用于其他电源相关功能,例如电源使能控制、复位和系统处理器的终端预警。结合用户可视化界面(GUI)工程师可以建立复杂的电源轨上电/关闭安排和时序规则,如果发生任何故障还能提供详细的系统故障分析报告;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次序和监测,最多支持12个电源轨,采用PMBus/I2C总线接口支持用户自定义设置;其他的GPIO管脚可用于其他电源相关功能

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图8:电源管理IC器件如UCD90120A结合GUI提供了强大的功能,可以建立复杂的多条电源轨的次序设置规则,同时可以通过界面观察每个电源轨的状态以及它们之间的时序顺序(来源:TI应用笔记)

总结

电源和电源轨可能并没有受到处理器一样的重视,但是它们对于一个成功可靠的设计来讲,它们的重要性在不断上升,保证更高的性能和更丰富的功能,用于广泛的应用场景如手持智能手机、各种大型仪器如农场服务器和数据中心等。管理这么多的电源轨不是件容易的事情,但是我们有很多电源和电源管理IC可用的选择,满足不同项目应用的功能要求。这些解决方案包括简单的级联顺序使能上电、复杂的全可编程IC控制,提供建立和修改很多关键参数的能力。
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