一種新的電源定序方法

一種新的電源定序方法

Power Supply Sequencing - A New Approach

Mark O'Sullivan     Artesyn Technology  

　　目前，大部分為通信和數(shù)據(jù)處理應(yīng)用而設(shè)計(jì)的電路板需要多種集成電路供電電壓。長期以來，在上電和斷電過程中正確的給這類電源定序一直是個(gè)設(shè)計(jì)問題，這個(gè)問題由于最新集成電路的苛刻要求而日益嚴(yán)重。本文考察了各類定序方法，重點(diǎn)闡述了具有內(nèi)置定序特性的新一代模塊式負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器是如何提供了一種特別有成本效益的解決方案。

　　硅器件制造商正逐步通過轉(zhuǎn)向亞微米制造穩(wěn)步地提高高性能集成電路的性能和功能特性。伴隨這種趨勢的是比以往任何時(shí)候都要低的工作電壓，目的是為了將轉(zhuǎn)換速度最大化并防止形狀很小的晶體管二次擊穿。因此，幾乎所有的高性能集成電路，包括DSP(數(shù)字信號處理器)、ASIC（專用集成電路）、FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)和CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)，現(xiàn)在均要求幾條電源軌道-－一條用于高速的處理內(nèi)核，一條或多條用于其輸入/輸出（I/O）功能。典型的內(nèi)核（電壓）值為1.2V，1.5V或1.8V，而I/O功能（電壓）一般較高，為2.5V、3.3V或5V。

電源定序的重要性

　　為避免處理內(nèi)核受到潛在的損壞和封鎖，硅器件制造商嚴(yán)格規(guī)定了I/O和處理內(nèi)核之間上電和斷電電壓順序。但是滿足電路板上所有器件的定序要求是一個(gè)相當(dāng)大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)椴煌募呻娐分圃焐掏扑]了不同的方法。這種要求甚至可以變得如此復(fù)雜，以致最終應(yīng)用可以影響到順序。

　　設(shè)計(jì)師主要有三種電源定序方法可以選擇，即通常所說的順次(定序)、對比度量(定序)和同步(定序)。對于順次定序，一旦相配的延遲時(shí)間過去，主電源的上升控制次電源的上升。對比度量定序此時(shí)則是一個(gè)變式，它從主電源上的電阻分壓器那里獲得二次電源控制信號。它基本上只采用了少數(shù)幾種調(diào)壓器集成電路，因此本文不作討論。同步定序是：允許所有電源以相同的速率一起開始上升直至每個(gè)電源達(dá)到其設(shè)定值。這種方法最有可能滿足由不同集成電路制造商規(guī)定的定序要求，文中將詳述。

順序定序的各種途徑

　　給電源定序最簡單的形式是在次電源遙控開/關(guān)(ON/OFF)輸入端和主電源之間設(shè)置RC網(wǎng)絡(luò)，次電源一般是一種經(jīng)隔離的或非隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器或功率調(diào)節(jié)器模塊。這種方法的主要不足之處是如果較早的電壓未上升，則無法保證后來的電壓不會(huì)上升。因此設(shè)計(jì)師通常要將一個(gè)電壓比較器和一個(gè)電壓基準(zhǔn)包含進(jìn)去以確保第二個(gè)電源開始上電之前，第一個(gè)電源處于正確的電壓范圍內(nèi)，見圖1所示。這個(gè)過程可以在連續(xù)供電時(shí)反復(fù)進(jìn)行。

　　這種方法的缺點(diǎn)是所要求的附加電路復(fù)雜，特別是當(dāng)需要按照與啟動(dòng)相反的順序關(guān)閉時(shí)。印制板設(shè)計(jì)師采用這種定序方法是比較容易的__幾家專業(yè)集成電路制造商生產(chǎn)含有這種電路的監(jiān)控用集成電路，但是它占用了寶貴的印制板空間，帶來了額外的費(fèi)用成本，并且隨著電壓供應(yīng)的上升，變得不實(shí)用。圖2示出了一種基于分立元件的典型的電路，它采用了一種監(jiān)控用集成電路來監(jiān)視三個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊的輸出值。

　　在上電過程中，一旦監(jiān)控用集成電路確定三個(gè)轉(zhuǎn)換器全部到達(dá)各自的額定調(diào)節(jié)值，軌道電壓被同步加到負(fù)載上。這種方法的困擾是元件數(shù)量多，而且設(shè)計(jì)師必須讓每個(gè)電源通道置入MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管)功率開關(guān)。這些功率開關(guān)帶來了損失，而且他們只能傳輸較低的負(fù)載電流。

　　有幾家半導(dǎo)體制造商還生產(chǎn)全集成定序器，它本質(zhì)上是一種控制板載電源順序的微處理器并且具有其它電源調(diào)節(jié)功能如監(jiān)控。全集成定序器提供了一種比分立RC裝置更方便且更精確的定序方法，其設(shè)置還相當(dāng)?shù)撵`活，但是他們一般是復(fù)雜器件，需要編程并且還要適用于多種印制板的結(jié)構(gòu)，他們代表著一種過于復(fù)雜的解決方案。設(shè)計(jì)師通常需要再次將功率開關(guān)安裝在電源通道內(nèi)。由于在定序器和每個(gè)轉(zhuǎn)換器之間必須規(guī)定幾條信號線的順序，同時(shí)限制功能特性，因此印制板的設(shè)計(jì)是復(fù)雜的，而且定序器可能比他們控制的轉(zhuǎn)換器更昂貴。

　　隨著許多制造商推出新一代POL轉(zhuǎn)換器，這種情況已經(jīng)開始明顯的改變，新一代POL轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)置的電源定序裝置而且電流輸出值介于6A至30A之間。

　　在電源轉(zhuǎn)換過程中必須控制一個(gè)或更多的板載電源模塊。為了用常規(guī)的商用電源模塊實(shí)現(xiàn)同步定序，印制板設(shè)計(jì)師需要安裝附加的元件并需要詳細(xì)了解模塊的輸出值調(diào)節(jié)電路（制造商一般不供應(yīng)）。

　　所有PTH系列兼容POLA的電源模塊均內(nèi)置了自動(dòng)跟蹤（Auto-Track）定序能力，它克服了這些問題，它允許在上電和斷電的過程中精確地控制其輸出電壓，而外部僅采用了三個(gè)元件。控制信號可以來自于主斜波發(fā)生器，另外一個(gè)電源模塊的輸出電壓即模塊自身的內(nèi)部斜波。圖3示出了一種采用了該模塊內(nèi)部斜波裝置的典型的電路。

　　自動(dòng)跟蹤（Auto-Track）定序的工作方式是非常簡單的。每個(gè)PTH系列電源模塊均具有一個(gè)特別的控制管腳，稱之為“Track”(軌道)。每個(gè)模塊的輸出電壓精確地跟蹤施加到其Track（軌道）引腳上的電壓（從0V到其設(shè)定值）。一旦Track腳上的電壓升高越過模塊的設(shè)定值，輸出電壓將保持在該設(shè)定值。

　　上電順序的初始化是將一個(gè)邏輯高電平信號加到如圖3所示的晶體管，同時(shí)將所有Track腳接地約10ms以便讓模塊完成軟啟動(dòng)初始化。在這段時(shí)間過程中，所有相關(guān)的模塊輸出值均為0V。這段時(shí)間過后，晶體管可以關(guān)閉了，從而允許Track控制電壓自動(dòng)朝著模塊輸入電壓上升。每個(gè)模塊的輸出電壓將同步上升，直至達(dá)到各自的設(shè)定值，如圖4所示。

　　斷電是通過將Track控制電壓降低到0V來完成的。唯一的限制是電源模塊必須具有一個(gè)正確的輸入電壓直至完成斷電定序，而且Track控制電壓下降速度不得快于自動(dòng)跟蹤（Auto- Track）的1伏/毫秒（V/ms）的上升速度。

　　Artesyn科技現(xiàn)在已經(jīng)將15個(gè)PTH系列的非隔離負(fù)載點(diǎn)DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊投放到市場，這些模塊均以自動(dòng)跟蹤（Auto-Track）電源定序?yàn)樘厣⑶彝耆c該聯(lián)盟其它成員提供的POLA產(chǎn)品兼容。這些模塊具有寬范圍的輸入/輸出電壓，而且在6A至30A范圍內(nèi)可以選擇9種電流額定值，從而使夠十分容易和十分劃算地為多軌印制電路板實(shí)施高級電源定序方案。簡單比較一下圖2中分立電路的元件數(shù)量和圖3中的自動(dòng)跟蹤（Auto-Track）結(jié)構(gòu)，能得到一個(gè)印象：這種電源定序的新方法提供了潛在的節(jié)省。

應(yīng) 用

　　Artesyn科技的電源定序應(yīng)用技術(shù)支持用戶開發(fā)電訊和無線架構(gòu)系統(tǒng)。盡管專門應(yīng)用仍然擁有專有權(quán)的，但有電源定序能力的POL轉(zhuǎn)換器解決了其眾多用戶的需要，如Alcatel(阿爾卡特), Cisco（思科）, Ericsson(愛立信), Lucent（朗訊）, Motorola（摩托羅拉）, Nortel（北電）和 Siemens（西門子）等。