【導(dǎo)讀】有序使人安定，無(wú)序使人慌亂，秩序?qū)ι鐣?huì)生活的重要性不言而喻。同理，電源時(shí)序是微控制器、FPGA、DSP、ADC和其他需要多個(gè)電壓軌供電的器件所必需的一項(xiàng)功能，不遵守正確的電源時(shí)序會(huì)影響器件的穩(wěn)定性，連續(xù)違反時(shí)序控制模式會(huì)損壞片內(nèi)保護(hù)電路并產(chǎn)生長(zhǎng)期損害。
有序使人安定，無(wú)序使人慌亂，秩序?qū)ι鐣?huì)生活的重要性不言而喻。同理，電源時(shí)序是微控制器、FPGA、DSP、ADC和其他需要多個(gè)電壓軌供電的器件所必需的一項(xiàng)功能，不遵守正確的電源時(shí)序會(huì)影響器件的穩(wěn)定性，連續(xù)違反時(shí)序控制模式會(huì)損壞片內(nèi)保護(hù)電路并產(chǎn)生長(zhǎng)期損害。本文通過(guò)介紹多種電源時(shí)序控制的實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)述應(yīng)對(duì)多領(lǐng)域應(yīng)用的電源時(shí)序控制挑戰(zhàn)ADI是如何提供易于使用解決方案的。
優(yōu)化電源時(shí)序控制的一般性原則
多電壓軌供電應(yīng)用通常需要在數(shù)字I/O軌上電前對(duì)內(nèi)核和模擬模塊上電，但有些設(shè)計(jì)可能需要采用其他序列。無(wú)論如何，正確的上電和關(guān)斷時(shí)序控制可以防止閂鎖引發(fā)的即時(shí)損壞和ESD 造成的長(zhǎng)期損害。此外，電源時(shí)序控制可以錯(cuò)開上電過(guò)程中的浪涌電流，這種技術(shù)對(duì)于采用限流電源供電的應(yīng)用十分有用。
下圖所示為一種要求多個(gè)供電軌的FPGA應(yīng)用，這些供電軌為內(nèi)核電源、I/O 電源、輔助電源和系統(tǒng)存儲(chǔ)器電源。通常來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA應(yīng)用會(huì)具有一個(gè)內(nèi)置上電復(fù)位電路，可確保在所有電源均達(dá)到其閾值后才允許對(duì)器件進(jìn)行配置。這樣有助于降低電源時(shí)序控制要求，但為了實(shí)現(xiàn)較小浪涌電流電平并遵循連接至FPGA的電路時(shí)序控制要求，供電軌應(yīng)當(dāng)按內(nèi)核電源-輔助電源-I/O電源的序列上電。
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處理器和FPGA的典型供電方法
對(duì)于更多普通電路應(yīng)用而言，實(shí)現(xiàn)電源時(shí)序控制的一種簡(jiǎn)單的方法就是利用電阻、電容、二極管等無(wú)源元件，延遲進(jìn)入調(diào)節(jié)器使能引腳的信號(hào)。該方法可用于不要求采用精密時(shí)序控制的應(yīng)用，以及只需延遲信號(hào)即可并可能只要求采用外部R和C的部分應(yīng)用。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)器，采用這種方法的缺點(diǎn)在于，使能引腳的邏輯閾值可能因?yàn)殡妷汉蜏囟榷嬖诤艽蟮牟町?。此外，電壓斜坡中的延遲取決于電阻和電容值及容差。典型的X5R電容在–55°C至+85°C溫度范圍內(nèi)的變化幅度約為±15%，由于直流偏置效應(yīng)還會(huì)出現(xiàn)±10%的變化，從而使時(shí)序控制變得不精確，有時(shí)還會(huì)變得不可靠。
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利用電阻、電容和二極管實(shí)現(xiàn)電源時(shí)序控制的簡(jiǎn)單方法
基于高性能模擬器件的精密電源時(shí)序控制實(shí)現(xiàn)
因此，在某些情況下，實(shí)現(xiàn)精密時(shí)序比降低PCB面積和成本更重要。為了獲得穩(wěn)定的閾值電平以實(shí)現(xiàn)精密時(shí)序控制，大多數(shù)調(diào)節(jié)器都要求采用一個(gè)外部電壓監(jiān)控和序列器IC。例如ADM108x簡(jiǎn)單時(shí)序控制器便可在上電期間對(duì)兩個(gè)電壓軌進(jìn)行簡(jiǎn)單的時(shí)序控制，時(shí)間延遲可通過(guò)電容進(jìn)行編程。利用該系列的兩個(gè)器件可構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，從而以各自可編程的時(shí)間延遲對(duì)兩個(gè)電壓軌的上電和關(guān)斷進(jìn)行時(shí)序控制。
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ADM108x上電和關(guān)斷的典型時(shí)序控制要求與電路實(shí)現(xiàn)框圖
其實(shí)現(xiàn)電路中主要元件包括兩個(gè)電源穩(wěn)壓器、一個(gè)N型信號(hào)MOSFET、一個(gè)ADM1085和一個(gè)ADM1087。本電路支持大多數(shù)帶使能輸入的DC-DC調(diào)節(jié)器。ADM1085輸入端上的電阻分壓器用于精確監(jiān)控第一個(gè)電源輸出VOUT1。它確保使能第二個(gè)電源輸出VOUT2之前第一個(gè)電源已上電。此外，ADM1085的VIN引腳可以直接連接到第一個(gè)調(diào)節(jié)器的電源良好輸出端(如果有的話)。上電過(guò)程中，C1控制VOUT1和VOUT2之間的時(shí)間延遲，而關(guān)斷過(guò)程中，C2控制VOUT2和VOUT1之間的時(shí)間延遲。
除了ADM108x系列外，對(duì)于要求更加精確的上電和關(guān)斷序列控制應(yīng)用，在相應(yīng)的電壓和溫度范圍內(nèi)，可以使用精度可達(dá)±0.8%的ADM1184四通道電壓監(jiān)控器或使用帶可編程時(shí)序控制的ADM1186四通道電壓序列器和監(jiān)控器。
例如ADP5134四通道調(diào)節(jié)器便集成了兩個(gè)3-MHz、1200-mA降壓調(diào)節(jié)器和兩個(gè)300 mA LDO，每個(gè)調(diào)節(jié)器都有一個(gè)獨(dú)立的使能引腳，當(dāng)使能輸入的電壓升至 VIH_EN (最小值為0.9 V)以上時(shí)，器件退出關(guān)斷模式，且管理模塊開啟，但不會(huì)激活調(diào)節(jié)器。在輸入電壓和溫度轉(zhuǎn)折處，基準(zhǔn)電壓的變化幅度只有±3%。ADP5134典型的時(shí)序控制功能便可以通過(guò)采用ADM1184監(jiān)控一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出電壓，并在被監(jiān)測(cè)輸出電壓達(dá)到某個(gè)電平時(shí)，向下一個(gè)調(diào)節(jié)器的使能引腳提供一個(gè)邏輯高電平信號(hào)。這種方法可用于不具有精密使能功能的調(diào)節(jié)器，確保精密的時(shí)序控制，解決采用分立器件時(shí)遇到的各種問(wèn)題。
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使用ADM1184四通道電壓監(jiān)控器對(duì)ADP5034四通道調(diào)節(jié)器實(shí)施時(shí)序控制
此外，ADI還有諸如ADM1168超級(jí)時(shí)序控制器等可配置電源監(jiān)控/時(shí)序控制器件，可針對(duì)多電源系統(tǒng)中的電源監(jiān)控和時(shí)序控制提供一種單芯片解決方案。該器件還提供多達(dá)8路可編程輸入，用于監(jiān)控多達(dá)8個(gè)電源的欠壓故障、過(guò)壓故障或窗口外故障。此外，8路可編程輸出可以用作邏輯使能。其中6路可編程輸出也可以提供最高12 V輸出，用于驅(qū)動(dòng)可置于電源路徑的N-FET柵極。該器件提供一個(gè)非易失性EEPROM模塊，可用來(lái)存儲(chǔ)用戶定義信息以及保存多條故障記錄，故障記錄由用戶定義的時(shí)序控制引擎在發(fā)生特定故障或序列時(shí)寫入存儲(chǔ)器。ADM1168通過(guò)可編程寫入EEPROM的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，全部配置可以利用ADI公司具有直觀圖形用戶界面(GUI)的軟件包進(jìn)行編程。
本文小結(jié)
在設(shè)計(jì)多電源電路系統(tǒng)時(shí)，時(shí)序控制器、監(jiān)控器、調(diào)節(jié)器和控制器具有非常高的功能集成度，便于設(shè)計(jì)工程師處理潛在的電源問(wèn)題，而無(wú)需采用全部是分立IC的電路板。ADI的模擬時(shí)序控制器集成精密比較器，針對(duì)電壓調(diào)節(jié)器組提供上電和掉電時(shí)序控制功能。該系列產(chǎn)品的部分型號(hào)可互相級(jí)聯(lián)，從而提供可擴(kuò)展解決方案，將功能擴(kuò)展至多個(gè)器件，能夠?yàn)閼?yīng)對(duì)蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施、電信、數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的電源時(shí)序控制挑戰(zhàn)提供易于使用的解決方案。
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