电源排序 - 选择与权衡：第 1 部分

[导读]经验丰富的设计师知道，产品运行周期中最危险的时期之一是通电时。在此通电阶段，多个电源轨中的每一个都必须以正确的顺序在指定的时间窗口内达到其标称值，并且没有瞬变、振铃或过冲。

系统中多个电源轨的正确排序是一项关键功能，可以使用不同的方法来实现。

经验丰富的设计师知道，产品运行周期中最危险的时期之一是通电时。在此通电阶段，多个电源轨中的每一个都必须以正确的顺序在指定的时间窗口内达到其标称值，并且没有瞬变、振铃或过冲。

如果顺序不正确，在最好的情况下，系统将无法正常“启动”，或者其性能将不稳定(但重试时可能会正常工作);在最坏的情况下，某些组件将损坏，这对于电源设备来说尤其危险。请注意，断电可能有类似的时间要求，并存在损坏风险——当然，直到下次设备通电，设备不再像以前那样工作。

高性能 IC(例如 FPGA)可能有六个或更多不同的直流电源轨，用于支持设备核心、RAM、内部缓冲器和外部 I/O(例如 I 2 C、SPI、LVDS 和其他端口)。这些电源轨可能具有不同但间隔很近的标称值，例如 1.2 V、1.5 V 和 1.7 V，或者其中几个电源轨可能具有相同的标称值，但公差或物理位置不同。同样，高度集成、专用的 IC(例如 Wi-Fi 网络节点)可能有多个电源轨来支持内部功能以及行业标准所需的接口电压或天线驱动器及其功率放大器的双极电源。

电源轨数量并不止于单个 IC。此类电源轨的数量通常会随着整个系统的增加而进一步增加，整个系统可能具有电机驱动器、功率 MOSFET/IGBT 或特殊通信接口(如以太网或甚至传统 RS-232/422 端口)。因此，无论物理尺寸如何，整个系统可能具有十个或更多由独立直流稳压器(也称为电源转换器)供电的电源轨。

设计人员面临的挑战是确保在施加主电源时(无论是通过分立的开关还是等效的软开关)，这些电源轨能够按照精心设计的顺序加电至其最终值(图 1)。

图 1. 多轨系统中的电源排序规定，只有在其他电源轨完全开启后，或者其他电源轨的某个组合达到其最终值后，才能开启某些电源轨;也可能有关闭要求，如由 Enpirion ES1021QI 控制的排序所示。

即使没有永久性损坏，操作故障也可能是错误排序的不可接受的后果：考虑在电机控制软件初始化并准备好控制这些 MOSFET 之前打开电机功率 MOSFET 的影响。这些问题也不一定与正式的上电事件有关;相反，它们可能是由于在“热插拔”设计中插入电路板造成的。

为了解决这些问题，可以使用专门的电源管理 IC (PMIC) 来实现电源排序和定时。全功能 PMIC 允许设计工程师：

· 建立多个轨道间相互开启/关闭的顺序。

· 如果需要的话，控制每条轨道的上升/下降速率。

· 如果任何一条轨道出现故障，则管理各个轨道。

通常，电源轨之间的时序由电源轨电压而不是绝对时间值和滞后决定，连续电源轨“开启”的时间间隔为毫秒级。相互关系准则范围很广，从简单(例如“仅在电源轨 A 开启时开启电源轨 B”)到更复杂(例如“仅在 A 和 B 电源轨都处于最终电压时开启电源轨 C”)。请注意，“开启”由应用要求定义，通常是最终电源轨电压的 90%，但在关键应用中，它可能在最终电压的 5% 甚至 2% 内达到。

尽管在大多数设计中，电压才是关键，而不是时间本身，但有些设计却以时序作为标准。如果设计人员知道特定电压轨需要明确的时间才能达到所需值，那么这是可能的，而且时序比电压更容易准确测量。

在这些情况下，诸如“一旦电源 B 开启，就开启电源 A 轨”这样的规则被翻译成“在 A 轨开启 50 毫秒后开启 B 轨”。然而，这种方法必须谨慎使用，因为除了“此时应该足够好”之外，没有其他方法可以验证电源 A 轨是否真的达到了所需值。

一些 PMIC 集成了 DC/DC 稳压器(LDO 和开关)以及必要的排序。它们针对笔记本电脑等目标应用进行了优化(CPU、内存、显示器、I/O 和其他标准功能)。虽然这些显然非常适合预期应用，并且应该在此背景下考虑，但它们也固有地限制了设计人员为其他应用选择电压轨和类型的整体灵活性。

对电源进行排序的要求并非新鲜事物。例如，对于真空管(现在大部分真空管已被集成电路取代，只有 X 射线机或无线电/电视广播发射机等特殊应用除外)而言，这是一项常见要求。真空管的灯丝可能必须打开并达到最终工作温度，然后真空管的极板才能通过其“B+”电压通电。对于 20 世纪 40 年代和 50 年代著名的五管 AM 收音机，此时间延迟为零，而对于 kW 级广播发射机中使用的真空管，则为数分钟。

有时，系统操作员会通过开/关开关手动执行该顺序;在其他情况下，则使用内置计时器的特殊机电继电器。当然，对于当今的大多数产品，尤其是针对大众市场和普通消费者的产品，手动控制或基于继电器的解决方案都不实用或不可取。

从物理层开始

在任何有关电源排序的讨论中，都需要牢记两个方面：来自定序器的控制信号和每个直流调节器的相应控制输入。

图 2. PMIC 的输出用于直接控制电压调节器或驱动外部分立 MOSFET，后者充当调节器输出和电源轨本身之间的开关;此处，在电源 VX 和电源轨 VXOUT 之间的顶部有四个这样的 MOSFET，其中 x 为 1、2、3 或 4。

显然，序列发生器必须具有足够的控制输出，在某些情况下，还应提供一些扩展数量(如果需要)。这些输出是简单的逻辑级控制信号。

它们所启用的互补直流稳压器必须具有单引脚使能 (EN) 输入，或者用户必须在稳压器输出和其驱动的物理电源轨之间添加一个电子开关(通常是 MOSFET)，然后控制此开关(图 2)。

通常，最好选择具有简单逻辑电平启用控制的直流稳压器(如果可用)，或者选择 PMIC，它可以直接驱动具有合适电流/电压额定值的分立电源轨开/关 MOSFET，而不需要单独的 MOSFET 驱动器。

在最简单的顺序排序情况下，当另一条轨道变为“良好”时，每条轨道串联打开，解决方案通常很简单。如果每个前一条轨道的调节器都有一个“电源良好”(PG) 输出，而下一个调节器有一个启用控制输入，则 PG 指示器连接到 EN 输入。当第一个调节器发出 PG 信号时，它会自动打开下一个调节器，依此类推，形成一种“菊花链”涟漪效应(图 3)。

图 3. 在某些情况下，一种简单但足够的排序方法是让一个稳压器的电源良好 (PG) 输出按顺序成为下一个稳压器的启用 (EN) 输入;这里，两个按顺序排列的德州仪器 TPS62085 降压 (buck) 稳压器为直流电源轨 V OUT1和 V OUT2供电。

这种方法适用于任何数量的串联直流稳压器，但这种优点也是它的局限性：它们必须具有顺序模式(尽管一个 PG 可以连接到多个 EN)，并且灵活性很差。此外，当一个电源必须等待指定的时间间隔才能开启时，这种方法无法控制时序，也无法解决关闭顺序问题，而这可能与开启一样重要。

为了克服其中一些问题，可以使用带定时器控制的复位 IC 进行上电排序。可以使用古老而多功能的 555 定时器 IC(或较新的变体)来控制排序，方法是在第一个轨道达到标称窗口值后或轨道关闭后调用一个时间段。该时间段由用户使用 555 的电阻在硬件中设置，因此它是由设计和 BOM 而不是固件确定的(图 4)。虽然这看起来可能不是一种优雅的方法，但它是一种有效的方法，尤其适用于只有在设计完成并评估原型板后才发现排序问题的情况(是的，这种情况确实会发生)。