基于多電壓系統(tǒng)架構(gòu)的電源監(jiān)督與定序方案

zilog應(yīng)用工程副總裁 peyman hadizad
zilog資深應(yīng)用工程師 suresh gm

下面將介紹一種基于 zilog 的強大 8 位 z8 encore xp! 微處理器的全新多電壓監(jiān)督和定序解決方案。該方案利用 z8 encore xp!強大的 ez8 核心，以及芯片集成模擬外圍設(shè)備的特定于應(yīng)用程序的最優(yōu)化陣列。

復(fù)雜系統(tǒng)電源架構(gòu)中的電源監(jiān)控和定序

目前，主板級電壓監(jiān)督功能的基本方法建立在上電復(fù)位 (por) ic 基礎(chǔ)之上，或者分別是模擬 ic、晶體管和無源設(shè)備的成套組合。這些解決方案可以監(jiān)控單個或多個電源總線架構(gòu)。在基于 por ic 的解決方案中，在啟動過程（電源電壓斜線上升）中，一旦電源電壓超過預(yù)設(shè)的電壓閾值，就會啟動一個編程的時間延遲順序，隨后會保持 por 的輸出。這樣允許系統(tǒng)時鐘穩(wěn)定，并且啟動引導(dǎo)例程初始化，隨后是 cpu 加電。

多個 por 和電壓檢測器也可用于為電源定序。將監(jiān)控一個電壓調(diào)節(jié)器的 por 輸出連接到下一個穩(wěn)壓器的關(guān)閉管腳（即用雛菊鏈方式連接它們），這樣一旦超過 por 的時間延遲，就會啟動兩個穩(wěn)壓器的操作順序。隨著系統(tǒng)電源電壓數(shù)量的增加，電壓監(jiān)控器和監(jiān)控電源的監(jiān)督產(chǎn)品也成為必備條件。但是，因為需要10~15種電壓才能為一套復(fù)雜系統(tǒng)加電，因此通常需要幾種類似產(chǎn)品。

使用這種“多監(jiān)督產(chǎn)品”方法會造成一系列問題。 一個問題涉及查找?guī)в姓_閾值的設(shè)備。盡管存在一系列標準電壓，例如相應(yīng)的 3.3v、2.5v、1.8v、1.5v 和 1.2v，但是在某些情況下還需要監(jiān)控非標準電壓。這需要外部電阻分配器設(shè)置監(jiān)控的閾值。如果系統(tǒng)電源電壓更改（例如，降低 asic 的核心電壓以減少功耗，或提高它以增強 asic 的性能），就必須更改電阻值以適合這些全新的電壓。獲得這種靈活性需要這些額外的外部電阻器，從而增加占用的主板空間和成本。此外，選擇正確的復(fù)位超時階段也會發(fā)生問題。當(dāng)系統(tǒng)必須提供一個具體的加電順序時，多個監(jiān)督產(chǎn)品就會發(fā)生另一個問題。但更多數(shù)量的電源電壓為系統(tǒng)加電時，上文概述的雛菊鏈技術(shù)可能無法處理各種電源電壓的斜線上升所需的定時順序。此外，如果電壓定序要求在產(chǎn)品開發(fā)階段中發(fā)生改變，更改現(xiàn)有電路以適合這些改變會造成眾多的麻煩和問題。

當(dāng)這些大型系統(tǒng)使用“silver box”或“brick”電源時，會發(fā)生一個額外的定序問題。這些電源簡化電源設(shè)計，但是在需要特定的加電順序時會造成一個問題。例如，一個提供多個輸出電壓的 brick 電源可能只有一個單獨的“啟用”管腳。因此，在該管腳的控制下，所有輸出電壓會同時打開和關(guān)閉。帶有多個“啟用”（或關(guān)閉）輸入的“brick”電源可以解決此問題。但是，如果多個 ic 共享相同的電源（例如一個 3.3v i/o 邏輯電源和一個 1.8v 核心電源），兩個 ic 的要求可能發(fā)生沖突。一個設(shè)備可能要求其核心電源在 i/o 電源之前供電，而第二個設(shè)備可能要求其電源以相反順序定序?？赏ㄟ^一個外部開關(guān)（例如 mosfet）解決此問題。對于低電能應(yīng)用，可以使用一個 p 通道 mosfet，它通常比 n 通道 mosfet 昂貴，但是使用方法更簡單。一個 n 通道 mosfet 是更高電流應(yīng)用的理想之選，因為其低電阻可以減少開關(guān)的電壓下降。一個 n 通道 mosfet 還可用于非常低的電壓核心。但是，要完全提高一個 n 通道 mosfet，足夠高的電源電壓必須可用以便向源電壓提供適當(dāng)?shù)拈T電路。

z8 encore xp! 閃存 mcu 基于 zilog 的高級 ez8 8 位 cpu 核心，并且是電壓監(jiān)督和定序應(yīng)用執(zhí)行的理想之選。其他目標最終應(yīng)用包括家用器具（用戶接口和電機控制）、環(huán)境傳感器、電池充電和智能冷卻。設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。在此設(shè)備中，優(yōu)化成套芯片集成模擬外圍設(shè)備可以為控制和保護最終設(shè)備實現(xiàn)簡單的設(shè)計和增強的功能，同時降低系統(tǒng)成本。

10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (adc) 可以為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換最多提供八個單獨的結(jié)束/微分通道，并且可選擇 1x 或 20x 微分輸入擴大率。此外，對于精度更高的電流測量，會將一個集成芯片跨導(dǎo)倒數(shù)放大器集成到 adc 模塊中，因此不再需要一個額外的組件。

和多通道 adc 一起，設(shè)備的兩個增強16位計時器塊以 pwm 為特征，并且“捕獲”和“比較”功能可用于同時操作兩個負載，同時高電流 led 驅(qū)動輸出在啟動一個預(yù)先定義的事件時可用于觸發(fā) led，而不需要其他硬件。其他功能包括集成模擬比較器，“故障自動保險”振蕩器機制提供可靠的操作，一個芯片集成溫度傳感器以及高達 128b 的 nvds。

基于encore xp! 的多電壓監(jiān)督和定序器解決方案

基于 encore xp! 解決方案的硬件配置和示意圖分別顯示在圖 2 和圖 3 中。12v 輸入電源為交換式穩(wěn)壓器提供輸入電壓。執(zhí)行分別帶有 1.8v、3.3v 和 2 x 5.0v 的輸出電壓的四個交換式穩(wěn)壓器。在 mcu 電源電壓為 3.3v 時，5v 穩(wěn)壓器依次為四行、二十個字符的 lcd 顯示屏加電。

1.8v、3.3v 和 5.0v 交換式穩(wěn)壓器 的定序

因此切換的電壓穩(wěn)壓器之間的可 編程延遲

電力負載的熱交換塊從主電源提 取高啟動電流

12v 輸入電源電壓的可編程“開” 和“關(guān)”斜線上升

可編程電壓過高、電壓過低、電流 過高和溫度過高監(jiān)控，帶有關(guān)閉
功能

提供給全部四個穩(wěn)壓器的總電流 的監(jiān)控

使用芯片集成溫度傳感器的系統(tǒng) 溫度的監(jiān)控。通過參考系統(tǒng)溫度 和芯片溫度傳感器的校準實現(xiàn)

用于顯示和鍵盤控制器的 uart 接口，設(shè)置點編程和參數(shù)（電壓、電 流、溫度和順序）的顯示

lcd 顯示屏上電壓、溫度和開/關(guān) 順序的狀態(tài)顯示，見圖4、圖5

微控制器初始化 pwm 生成的計時器、uart（用于特殊通訊）、adc（用于電壓、電流和溫度測量）以及 i/o 管腳（用于穩(wěn)壓器的開/關(guān)切換）。最初，設(shè)備使用存儲在閃存中的默認設(shè)置。然后，它輪詢設(shè)置中的更新并將信息存儲在 nvds 內(nèi)存中。

mcu 的兩個 pwm 輸出之一可以連接到“熱交換”塊中的 mosfet，因此使用 encore xp! 的 16 位 pwm 計時器可以精確控制啟動過程中和省電階段的電壓斜線上升率。pwm 頻率保持在 5 khz。此外，mcu 的四個 i/o 管腳配置為輸出管腳，并且分別連接到每個交換式穩(wěn)壓器的“啟動”輸入。

在八個模擬 adc 輸入通道中，兩個輸入用于“微分”模式，以測量傳感電阻的電壓。通過這種方式，可以精確監(jiān)控“總”電流。一系列其他 adc 輸入管腳用于交換式穩(wěn)壓器輸出電壓的連續(xù)測量。

在啟動階段開始時，pwm 輸出的工作循環(huán)根據(jù)用戶定義的斜線上升率提高，直到達到最終輸入電壓。在時間中的這一點，根據(jù)電壓穩(wěn)壓器的編程啟動順序，四個 mcu i/o 管腳的輸出電壓轉(zhuǎn)換為高狀態(tài)，在各自交換式穩(wěn)壓器上依次打開。在所有時間，穩(wěn)壓器的輸出電壓連續(xù)通過芯片 adc 監(jiān)控。如果出現(xiàn)電壓過高、電壓過低、電流過高或溫度過高故障，則連接到穩(wěn)壓器“啟用”管腳的微控制器 i/o 管腳將轉(zhuǎn)換為低狀態(tài) (~0v)，根據(jù)用戶編程的關(guān)閉順序?qū)⑺鼈兦袚Q到“關(guān)”狀態(tài)。完成此階段后，“熱交換”電路的 pwm 工作循環(huán)逐漸降低，直到線路電壓下降為零。

總結(jié)

本文描述應(yīng)用 zilog 最新的 encore xp! 8 位微控制器監(jiān)控、控制和定序多電壓電源分配架構(gòu)。根據(jù)優(yōu)化的成套芯片集成數(shù)字和模擬外圍設(shè)備，此 mcu 是類似應(yīng)用的理想之選。和目前的模擬解決方案相比，此方法提供各種編程監(jiān)控、定序和其他控制功能的集成，可節(jié)省大量成本和主板空間。