实现多电源时序控制和跟踪的电路设计

时间：2008-06-23 21:38:00

关键字：电源电路设计时序控制时序控制器

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[导读]随着多电源电子系统和IC的数量的增加，为确保系统在操作前正确上电，对电源时序控制的需求变得越来越迫切。

随着多电源电子系统和IC的数量的增加，为确保系统在操作前正确上电，对电源时序控制的需求变得越来越迫切。这种电源时序控制对消除复杂IC(如微处理器、ASIC和 FPGA)中的闩锁效应尤其重要。此外，一些系统和IC也对断电时序控制有要求。

传统上，电源IC都具有电源时序控制功能。然而，随着系统中电源数量的增多，这些IC的功能已难以满足系统要求。因此，需要针对这些应用推出新的解决方案。为满足这些要求，许多制造商推出了各具特色的新型IC，这些IC具有带高级功能操作和差异化特性的电源电压时序控制和多电源轨跟踪功能。

电源时序控制IC的主要功能是控制多电压之间的上电时序，有时也包括断电时序。设计工程师可以通过控制串联开关(通常是MOSFET)直接控制不同的电压轨，完成时序控制；或者通过一系列顺序使能信号控制下游电源或者DC/DC转换器模块,从而间接控制电压轨，完成时序控制(图1和图2)。

当系统具有几个不同的分布式电压时，利用导通电阻低的FET进行直接控制是一个更好的电源时序控制实现方案。为克服分布式布线和FET压降，可适当提高分布式电压以留出更多裕量。但在某些具有大负载电流或者未使用导通电阻低的FET的应用中，这种方法通常会有些问题。间接时序控制方法能以低损耗方式对负载点DC/DC转换器进行时序控制，从而避免串联FET和电路板走线电阻的分布损耗。

图1：利用MOSFET的直接电源时序控制。

这种架构可以通过两种方法实现：第一种方法是监测输出电压，以确保在下一级电源导通之前确保电压符合调节范围；第二种方法是利用定时序列为前一级电源电压达到电压调节范围留出充足的时间。后一种方法和转换器的导通特性密切相关，因此必须知道转换器从使能到电源电压正常之间的时间，以保证只有在前一级的转换器满足最低输出电压要求后才导通下一级转换器。这一段必要的延迟时间在很大程度上依赖于负载，因此要求可以很容易调节电源时序控制IC的延迟时间设置。在允许电压同步上升的应用中，可采用具有不同跟踪能力的电源时序控制器。

电源时序控制器的另一个功能，是确保在时序启动之前系统具有最低可接受电压，并确保如果系统不能维持这个最低电压，则电源时序控制器将在操作期间对此作出反应。目前有两种方法可以实现这种功能。一种方法是直接将被监视的电压和固定的内部电压基准进行比较，从而控制两个或者多个公共电源电压。该方法虽然可以使BOM的元件数量最小，但灵活性低。另一种方法是提供内部电压基准的外部设置端口，以便能通过电阻分压器，单独设定最低可接受电压阈值。这种方法使得一种电源时序控制器可在多个实现方案中使用，而且还能通过不同的设置使之能在任意组合的受控电源中使用。

图2：利用逻辑信号使能负载点转换器的间接电源时序控制。

有多种方式可以不同输出电压时序控制之间的定时、顺序和可调节延迟控制。(1)使用固定序列，这样IC的上升和下降时序便是固定的；还有一些IC的灵活性非常高，这样可以选择任意的电压变化斜坡。(2)采用由电压决定起始点的方式，这可通过在下一个时序发生之前监视输出电压或者FET的栅电压得以实现。(3)利用外部定时元件、电阻或者电容来设置时序和/或到下一次上升/下降斜坡的延迟。通过一个电流源将这些外部元件充电到某个阈值电压，该阈值电压决定了电源的时序控制操作。这些外部元件还可以组成内部计数器的定时元件。一般情况下，这些元件的数目将根据不同的延迟时间要求而有所不同，某些定时要求可能会消除一些公共元件或者使用某些公共元件。

图3给出了一种电源时序控制器，它采用非常灵活的方法对电压进行监测、时序排序和定时。由于无源元件的值的选择非常灵活，所以可以很容易地在整个板级设计或者多个板级设计中简单地复制该方法。

图3：典型的ISL6123应用电路图，该四路电源时序控制器具备完全可调节的锁定电压阈值、时序顺序和定时功能。

大多数电源时序控制器都具备的另一个特性，是它们能在系统内部或外部进行通讯；一些IC通过串行通信协议，另一些IC则通过专用I/O信号来实现通讯功能，以传递必要信息(比如电压正常状态)。大多数IC制造商充分考虑了设计成本的问题，在同一产品系列中提供具备上述部分功能或者所有通讯方式功能的IC产品。OEM厂商可能会在产品原型、生产和测试阶段使用某些通信功能，而在系统操作期间使用其它通讯功能。

图4至图6详细介绍了电源时序控制器的一些基本电路操作。所有这些图都基于Intersil ISL612X系列电源时序控制器。该控制器是具备理想控制功能的电源时序控制器的典范。电源时序控制器有如此丰富的功能和特性，以致使你很难作出选择。选择一个具有宽范围配置灵活性的解决方案，会提供在系统层次上优化解决方案的机会。例如，你可以将几个IC进行菊环链级联，从而实现对大量不同电压的电源、双极性电源进行时序控制，还可以对电压的斜升和斜降进行跟踪控制。

目前，大多数电源时序控制器都针对特定需求提供特定的解决方案。它们往往由多个IC构成，可进行不同的设置。例如，在冗余电源系统的应用中，电源时序控制器不但要在上电电路功能初始化之前具备冗余能力，而且必须具有支持预约替换和维护的能力。ISL6128就是这样一种电源时序控制器，它集成了两个电源时序控制输出，这两个输出分别在两个不同的组。

图4：对四个电源电压进行不同时序顺序的升/降控制。

如图7所示，通过对电压源进行独立和连续的监测，该IC可以保证冗余电源能力在电源使用前已经具备。一旦上电，同组的两个电源首先只在各自组中完成电源时序控制，然后两个组的电源再通过ORing元件和公共电压轨连接。在操作过程中，如果任何一个电源电压降到额定调节范围以下，只有发生故障的那组的传输开关会断开，从而在不干扰相邻电源正常工作的情况下，将有故障的电源和公共电压轨隔离。这时，可以安装一个替代电源，并利用相关的输入重新和公共线路建立连接。此外，可以通过对每个组分别执行断开和闭合操作来实现电源的日常替换或者升级。

目前还出现了客户定制的电源时序控制器。这些定制的电源时序控制器具有针对不同通信应用的高电压(90V)偏置能力，可以对具备特定I/O接口特性和能力(例如：板载EEPROM、高-低窗口电压的一致性、固定的内部和外部可调节阈值电压等)、狭义上的高值负载进行监视保护。

图5：四个电源电压的升/降进行同步跟踪控制。

全新类型的器件不但具有对多种电源电压进行时序控制和/或跟踪的能力，还具有热插拔/热切换的功能，从而降低成本和复杂度。以ISL6173为例，ISL6173是一个全新的支持双低电压电源热插拔功能的IC，能对这两个电源进行时序控制或者跟踪。此外，在系统上采用多个ISL6173也非常简单，这样就能在更多的电压轨上提供这种能力。ISL6173的设计也允许这种多配置方式。

图6：+5V/-5V双极性电源和+2.5V电源的时序控制。

ISL6173采用单独的使能输入控制每个电压，可以被配置成依赖于电压的电源时序控制器。在这种控制方式下，由PG输出信号指示的前一个输出电压的状态，决定了什么时候开始下一个上电操作。图8为简化的配置电路图。

图7：基于ISL6128的冗余电源时序控制电路。

利用SS输出，相关的输出电压可以跟踪引脚至地的电容导通时所产生的电压斜坡。这个特性允许负载软启动，以便用一个公用的使能信号实现比率导通(ratiometric turn-on)方式。调节SS电容值的适当比例，可以使电压以不同的速率上升，以使每个输出电压与它最终值的相对百分比相匹配，如图9所示。此外，由于两个电源将跟踪两个SS引脚上的一个共用斜坡电压，所以可以利用两个SS引脚上的公用电容对导通进行同步跟踪，如图10所示。