用混合信号FPGA控制电压攀升率

随着工艺尺度不断缩小，器件常常需要多个电源。为了减小功耗和最大限度地提高性能，器件的核心部分一般趋向于在低电压下工作。为了与传统的器件接口，或与现有的I/O标准配合，I/O接口的工作电平往往与核心部分不同，一般都高于核心部分的工作电压。器件通常支持电平各不相同 (1.8V、2.5V 或 3.3V)的多个I/O组件。为能重新配置器件或对器件重新编程，通常还需要支持另外一个电源。显然，这些电源间相互关联，以及电源数量的增加，会大大增加板级电源管理的复杂性。

采用现场可编程门阵列 (FPGA)、数字信号处理器 (DSP) 和专用集成电路 (ASIC) 的设计可能需要4到5个，甚至更多的电源，需要按照预先设定的顺序和电压攀升率完成上电，从而避免诸如闭锁、涌流或I/O口争夺等问题。此外，许多应用都要求上电顺序和电压攀升率可调节，以适应不同的应用情况。

为了满足这些应用要求，功率系统管理部分必须具备上电即用的能力，这样，它才能对多个模拟电压输入进行采样和监控。功率系统的管理器要基于系统需求，以适当的电压攀升率顺序启动多个电源。该管理器还需具灵活性，能调节出不同的上电顺序和电压攀升率，并记住上电顺序和电压攀升率控制中使用的参数。

具有上电即用功能的混合信号FPGA在这种类型的功率管理控制上具有很多优势。这种FPGA在单芯片中集成了大容量的嵌入 Flash内存块、可编程逻辑和可配置模拟构件。由于集成了大容量的嵌入Flash内存块，因此能让设计人员实现众多的任务，包括记录系统历史运行性能、更新工作参数、监视系统参数以预见可能发生的故障 (即预报功能)、EEPROM仿真，以及启动代码存储。除电源管理外，这种器件还能被用于控制开关电压的攀升率。这种FPGA对模拟系统进行适当配置，可实现对多达30路模拟信号进行采样和监视；同时利用栅极驱动电流能控制多个电源的上电顺序和电压攀升率的可编程特性，控制多达10个栅极驱动电路。

利用混合信号 FPGA (如 Actel 的 Fusion PSC) 的这种可编程栅极驱动电路来控制电源电压的攀升率，四线模拟 I/O 结构 (参见图 1) 是个关键。四线模拟 I/O 由 4 个 I/O 端构成，包括模拟电压输入 (AV)、模拟电流输入 (AC)、模拟温度输入 (AT)，以及单栅极驱动输出 (AG)。AV、AC 和 AT 用于在将模拟信号送到可配置的 12 位逐次逼近寄存器 (SAR) 实现的模数转换器 (ADC) 前，对信号进行预调。四线模拟输入的电压承受能力达 12 V ± 10%。该四线模拟结构在预定标值、正负电压范围，以及 I/O 功能上有很大的可配置范围。

图1：四线模拟I/O结构

如果设计人员能采用这种四线模拟结构和ADC，混合信号FPGA就可为实现上电顺序管理和电压攀升率控制提供智能、简洁及灵活的解决方案。这种方案不需要外接电阻网络、比较电路或MOSFET驱动电路之类的部件，因而能大幅节省板卡空间和降低系统成本。而且，还能实现真正的上电顺序管理，且不依赖于主电源的上升时间。

要实现对上电顺序和上电电压攀升率的控制，可配置混合信号FPGA，使其不断地监视各个电源。该FPGA能根据用户定义的条件来开启功率MOSFET管，为负载提供所需的功率。用户可利用其电压监视功能，及预先定义的电源开启条件，在另一电源达到某一电平时开启该电源，或在另一电源开启后经一定延迟后再开启该电源。同时，用户还可选择栅极驱动电流来控制各个电源的上电攀升率；这个功能是针对外部的P型或N型MOSFET而设计。

图1所示为典型的功率控制配置。在该配置中，AV和AC代表供电侧或电源，AT在负载侧，并有一个由AG输出控制的外接MOSFET来控制供给负载的功率。AV监视电源电压。

一旦电源达到用户设定的电平并稳定下来，就可用AG来开启MOSFET，使负载侧上电。栅极驱动是可配置的电流源，需要有一个上拉电阻或下拉电阻 (见图2)。AG和外接功率MOSFET决定负载侧电源的开关电压攀升率。我们将通过下面给出的例子来说明如何确定和控制这个攀升率。

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