電源工程師設(shè)計(jì)札記（一）：輕松完成電源設(shè)計(jì)

　　But the 但是，F(xiàn)PGA只是一個(gè)較大系統(tǒng)的一部分。為了進(jìn)一步闡明本例，假設(shè)有一個(gè)高電流、5 V主系統(tǒng)電源軌。為FPGA內(nèi)核供電的1 V電源具有±5% （±50 mV）的容差，需要提供最高4 A的電流。3 V電源為通用邏輯電源，具有±5%的容差，在本例中需要提供4 A電流以便為FPGA I/O和設(shè)計(jì)中的其它邏輯器件供電。2.5 V電源為模擬電源，需要提供低噪聲的100 mA電流。

　　針對(duì)此應(yīng)用，利用雙通道降壓控制器ADP1850提供1 V和3 V高電流電源是一個(gè)很好的解決方案。ADP1850具有許多特性，其中包括：軟啟動(dòng)控制、同步跟蹤以及主從電源時(shí)序控制。上電時(shí)的上升速率由SS1和SS2引腳上的電容控制。本例中，3 V數(shù)字電源是主電源。針對(duì)2.5 V模擬電源，超低噪聲 低壓差調(diào)節(jié)器（LDO） ADP150是絕佳選擇，它可以利用ADP1850的PGOOD2信號(hào)進(jìn)行時(shí)序控制。圖2為該系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖，顯示了時(shí)序控制的一般流程，詳情參見ADP1850數(shù)據(jù)手冊(cè)。

　　圖2. Virtex-5的電源系統(tǒng)

　　上例說(shuō)明了時(shí)序控制和跟蹤的常見使用方式，可以將其擴(kuò)展到當(dāng)今的許多多電源系統(tǒng)，包括基于微處理器的系統(tǒng)和涉及混合信號(hào)技術(shù)（ADC和DAC）的系統(tǒng)。

　　模擬電壓和電流監(jiān)控（ADM1191）

　　針對(duì)要求精密監(jiān)控多個(gè)系統(tǒng)電源電流和電壓的高可靠性應(yīng)用，可以使用簡(jiǎn)單易行的模擬監(jiān)控電路。例如， 數(shù)字電源監(jiān)控器，ADM1191 提供1%的測(cè)量精度，包括一個(gè)用于電流和電壓回讀的12位ADC、一個(gè)精密電流檢測(cè)放大器以及一路用于提供過(guò)流中斷的ALERTB輸出。圖3顯示了ADM1191結(jié)合一個(gè)主控制器（如微處理器或微控制器等）的應(yīng)用。

　　圖3. 簡(jiǎn)單的電源電壓和電流監(jiān)控器

　　ADM1191通過(guò) I2C 總線與主控制器通信。通過(guò)配置A0和A1引腳的邏輯輸入電平，同一系統(tǒng)最多可以支持16個(gè)器件的尋址。本地控制器可以將測(cè)得的電壓與電流相乘，從而計(jì)算電源軌的功耗。發(fā)生過(guò)流狀況時(shí)，ALERTB信號(hào)通過(guò)一個(gè)中斷快速通知控制器，這個(gè)關(guān)于故障狀況的快速報(bào)警可以幫助保護(hù)系統(tǒng)免遭損壞。

　　時(shí)序控制和監(jiān)控的結(jié)合

　　大型固定系統(tǒng)，甚至某些高性能插卡，具有許多需要控制和監(jiān)控的電源軌。圖4涉及到一個(gè)具有8個(gè)電源軌的復(fù)雜電源系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)的核心是ADM1066它是一款靈活的高集成度超級(jí)電源時(shí)序控制器Super Sequencer® 可提供完整的電源控制功能，特性包括時(shí)序控制、監(jiān)控、余量微調(diào)和編程能力。ADM106x系列中的其它器件還具有溫度監(jiān)控和看門狗功能。

　　圖4. 8軌電源系統(tǒng)的控制

　　8軌系統(tǒng)具有三個(gè)主電源軌：12 V、5 V和3 V。其它電源軌則是利用開關(guān)調(diào)節(jié)器和LDO從這些主電源軌產(chǎn)生。每個(gè)調(diào)節(jié)器具有一路使能輸入，它由ADM1066的10路可編程驅(qū)動(dòng)器（PD）輸出之一驅(qū)動(dòng)，因此用戶可以按照一定的受控順序使所有電源軌上電。ADM1066具有一個(gè)片上電荷泵，可以提升6路PD輸出電壓以提供外部N-MOSFET的高驅(qū)動(dòng)電壓；當(dāng)需要控制更高電壓的電源時(shí)，外部N-MOSFET用作電源軌開關(guān)。

　　ADM1066具有片上EEPROM，用以存儲(chǔ)電源系統(tǒng)控制參數(shù)。ADI公司的實(shí)用程序?yàn)槠骷渲锰峁┝吮憷蟠蠛?jiǎn)化了上電和運(yùn)行任務(wù)，消除了費(fèi)時(shí)的代碼開發(fā)工作。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展，以及有新器件加入設(shè)計(jì)時(shí)，可以輕松調(diào)整電源序列。時(shí)序參數(shù)和電壓跳變點(diǎn)很容易重新編程。這個(gè)功能非常有用，可以節(jié)省開發(fā)時(shí)間，降低電路板開發(fā)可能延誤的風(fēng)險(xiǎn)

　　數(shù)字輸出信號(hào)——PWRGD（電源良好）、VALID和SYSRST（系統(tǒng)恢復(fù)）——由ADM1066在輪詢時(shí)產(chǎn)生，或者通過(guò)中斷/數(shù)字輸入提供，以便將電源系統(tǒng)的狀態(tài)告知系統(tǒng)微控制器，從而在發(fā)生故障時(shí)能夠采取措施。這種快速通知可以防止電容短路和其它危險(xiǎn)狀況引發(fā)災(zāi)難性損害。PWR_ON和/RESET是從系統(tǒng)控制器到ADM1066的數(shù)字輸入，用以形成完整的系統(tǒng)控制環(huán)路。
利用ADM1066進(jìn)行電源余量微調(diào)

　　在系統(tǒng)開發(fā)期間，當(dāng)設(shè)計(jì)工程師需要調(diào)整電源電壓以優(yōu)化其電平或使其偏離標(biāo)稱值時(shí)，可以使用ADM1066的片內(nèi)DAC來(lái)執(zhí)行電源余量微調(diào)。利用這種余量微調(diào)特性，可以在電源限制范圍內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面特性測(cè)試，而不需要使用外部?jī)x器。該功能通常是在在線測(cè)試（ICT）期間執(zhí)行，例如：當(dāng)制造商希望保證受測(cè)產(chǎn)品能夠在標(biāo)稱電源電壓±5%的范圍內(nèi)正常工作時(shí)?；趫D4所示的電路，用戶可以在許多電源軌上實(shí)現(xiàn)余量微調(diào)。

　　開環(huán)電源余量微調(diào)

　　對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器或LDO等電源進(jìn)行余量微調(diào)的最簡(jiǎn)單方法，是將額外電阻切換到電源模塊的反饋節(jié)點(diǎn)中，以改變反饋或調(diào)整節(jié)點(diǎn)的電壓，從而利用DAC迫使輸出電壓上調(diào)或下調(diào)所需的幅度。采用這種衰減器（圖5）時(shí)，可以通過(guò)SMBus更新相關(guān)DAC輸出的值，從而遠(yuǎn)程命令A(yù)DM11066執(zhí)行電源余量微調(diào)。該過(guò)程可以利用獨(dú)立于系統(tǒng)控制環(huán)路的開環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

　　圖5. 開環(huán)余量微調(diào)

　　ADM1066最多可以為6個(gè)電源執(zhí)行開環(huán)余量微調(diào)，它利用6個(gè)片上電壓輸出DAC（DAC1至DAC6）驅(qū)動(dòng)要微調(diào)的電源模塊的反饋引腳。實(shí)現(xiàn)這一功能的最簡(jiǎn)單電路是利用一個(gè)衰減電阻（R3），將DACx引腳連接到DC/DC轉(zhuǎn)換器的反饋節(jié)點(diǎn)。當(dāng)DACx輸出電壓設(shè)定為與反饋電壓相等時(shí)，無(wú)電流流入衰減電阻，DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓不發(fā)生變化。當(dāng)DACx輸出電壓高于反饋電壓時(shí)，電流流入反饋節(jié)點(diǎn)，DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出必須下降以進(jìn)行補(bǔ)償。要提升DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出，DACx輸出電壓設(shè)定值須低于反饋節(jié)點(diǎn)電壓。為降低噪聲，如圖中所示，可以將該串聯(lián)電阻分成兩個(gè)電阻，其間的節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)一個(gè)電容去耦到DC/DC轉(zhuǎn)換器的地

　　閉環(huán)電源余量微調(diào)

　　一種更精確、更全面的余量微調(diào)方法是在閉環(huán)系統(tǒng)中使用類似的電路。圖4所示為針對(duì)1.2 V輸出的一個(gè)例子。要微調(diào)的電源軌電壓可以通過(guò)VX2回讀，確保將其精確調(diào)整到目標(biāo)電壓。ADM1066集成了執(zhí)行微調(diào)所需的全部電路，12位逐次逼近型ADC用于讀取受監(jiān)控電壓的電平，6個(gè)電壓輸出DAC用于按照上述方法調(diào)整電源電平。這些電路可以配合微控制器等其它智能器件使用，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)余量微調(diào)系統(tǒng)，它可以將DC/DC轉(zhuǎn)換器或LDO電源設(shè)定到任何電壓，精度為目標(biāo)值的±0.5%。

　　為了在要測(cè)試的電源軌上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)余量微調(diào)，請(qǐng)執(zhí)行下列步驟：

　　禁用6路DACx輸出。

　　DACx輸出電壓設(shè)定為反饋節(jié)點(diǎn)電壓

　　使能DAC

　　讀取連接到VPx、VH或VXx引腳之一的DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出的電壓。

　　需要時(shí)，提高或降低DACx輸出電壓以調(diào)整DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓。否則就停止，目標(biāo)電壓已經(jīng)達(dá)到。

　　將DAC輸出電壓設(shè)定為某一值，使電源輸出改變所需的幅度（例如±5%）。

　　重復(fù)該過(guò)程，直至達(dá)到該電源軌所需的電壓

　　步驟1至3確保各DACx輸出緩沖器開啟時(shí)，它對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出的直接影響非常小。DAC輸出緩沖器的作用是消除上電時(shí)的瞬變“毛刺”，因?yàn)榫彌_器首先上電并跟隨引腳電壓，此時(shí)它不驅(qū)動(dòng)該引腳。一旦輸出緩沖器正確使能，緩沖器輸入即切換到DAC，緩沖器的輸出級(jí)開啟，從而消除輸出毛刺。

　　開關(guān)調(diào)節(jié)器的同步

　　在具有多個(gè)電源軌并使用一個(gè)以上開關(guān)調(diào)節(jié)器或控制器的系統(tǒng)中，由于內(nèi)部開關(guān)頻率的差異，這些器件之間可能會(huì)相互作用。這會(huì)引起拍頻諧波，大幅提高電源噪聲，嚴(yán)重影響EMI測(cè)試。幸運(yùn)的是，許多開關(guān)控制器和調(diào)節(jié)器在設(shè)計(jì)上都支持內(nèi)部時(shí)鐘同步。LDO不存在這個(gè)問(wèn)題，但其電流輸出有限，并且在大多數(shù)情況效率較差，因此有時(shí)可能不合需要。

　　雙通道開關(guān)調(diào)節(jié)器ADP2116 就是可同步器件的一個(gè)很好的例子。通過(guò)SCFG引腳，可將其SYNC/CLKOUT引腳配置為輸入SYNC引腳或輸出CLKOUT引腳。作為輸入SYNC引腳，它可讓ADP2116與外部時(shí)鐘同步，兩個(gè)通道以外部時(shí)鐘頻率的一半、彼此180°錯(cuò)相工作。

　　作為輸出CLKOUT引腳，它可提供輸出時(shí)鐘，其頻率是通道開關(guān)頻率的兩倍且90°錯(cuò)相。因此，一個(gè)配置為CLKOUT的ADP2116可以充當(dāng)主轉(zhuǎn)換器，為所有其它DC/DC轉(zhuǎn)換器（包括其它ADP2116器件）提供外部時(shí)鐘（圖6）。配置為從器件時(shí)，它接收主器件的外部時(shí)鐘并與之同步。通過(guò)同步系統(tǒng)內(nèi)的所有DC/DC轉(zhuǎn)換器，這種方法可防止產(chǎn)生能導(dǎo)致EMI問(wèn)題的拍頻諧波。

　　圖6. 利用外部時(shí)鐘同步多個(gè)ADP2116

　　結(jié)束語(yǔ)

　　本文討論多電源系統(tǒng)的處理方法。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。這些器件對(duì)設(shè)計(jì)工程師非常有用，可以提高設(shè)計(jì)成功的概率，降低重新設(shè)計(jì)的可能性和電路板開發(fā)延誤的風(fēng)險(xiǎn)。