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基于高性能模拟时序控制器,轻松实现复杂电源时序控制

关键词:高性能模拟器件 FPGA 电源时序控制

时间:2021-09-29 16:25:28      来源:网络

有序使人安定,无序使人慌乱,秩序对社会生活的重要性不言而喻。同理,电源时序是微控制器、FPGA、DSP、ADC和其他需要多个电压轨供电的器件所必需的一项功能,不遵守正确的电源时序会影响器件的稳定性,连续违反时序控制模式会损坏片内保护电路并产生长期损害。本文通过介绍多种电源时序控制的实现,简述应对多领域应用的电源时序控制挑战ADI是如何提供易于使用解决方案的。

有序使人安定,无序使人慌乱,秩序对社会生活的重要性不言而喻。同理,电源时序是微控制器、FPGA、DSP、ADC和其他需要多个电压轨供电的器件所必需的一项功能,不遵守正确的电源时序会影响器件的稳定性,连续违反时序控制模式会损坏片内保护电路并产生长期损害。本文通过介绍多种电源时序控制的实现,简述应对多领域应用的电源时序控制挑战ADI是如何提供易于使用解决方案的。

优化电源时序控制的一般性原则

多电压轨供电应用通常需要在数字I/O轨上电前对内核和模拟模块上电,但有些设计可能需要采用其他序列。无论如何,正确的上电和关断时序控制可以防止闩锁引发的即时损坏和ESD 造成的长期损害。此外,电源时序控制可以错开上电过程中的浪涌电流,这种技术对于采用限流电源供电的应用十分有用。

下图所示为一种要求多个供电轨的FPGA应用,这些供电轨为内核电源、I/O 电源、辅助电源和系统存储器电源。通常来说,FPGA应用会具有一个内置上电复位电路,可确保在所有电源均达到其阈值后才允许对器件进行配置。这样有助于降低电源时序控制要求,但为了实现较小浪涌电流电平并遵循连接至FPGA的电路时序控制要求,供电轨应当按内核电源-辅助电源-I/O电源的序列上电。


处理器和FPGA的典型供电方法

对于更多普通电路应用而言,实现电源时序控制的一种简单的方法就是利用电阻、电容、二极管等无源元件,延迟进入调节器使能引脚的信号。该方法可用于不要求采用精密时序控制的应用,以及只需延迟信号即可并可能只要求采用外部R和C的部分应用。对于标准调节器,采用这种方法的缺点在于,使能引脚的逻辑阈值可能因为电压和温度而存在很大的差异。此外,电压斜坡中的延迟取决于电阻和电容值及容差。典型的X5R电容在–55°C至+85°C温度范围内的变化幅度约为±15%,由于直流偏置效应还会出现±10%的变化,从而使时序控制变得不精确,有时还会变得不可靠。


利用电阻、电容和二极管实现电源时序控制的简单方法

基于高性能模拟器件的精密电源时序控制实现

因此,在某些情况下,实现精密时序比降低PCB面积和成本更重要。为了获得稳定的阈值电平以实现精密时序控制,大多数调节器都要求采用一个外部电压监控和序列器IC。例如ADM108x简单时序控制器便可在上电期间对两个电压轨进行简单的时序控制,时间延迟可通过电容进行编程。利用该系列的两个器件可构成一个简单的电路,从而以各自可编程的时间延迟对两个电压轨的上电和关断进行时序控制。


ADM108x上电和关断的典型时序控制要求与电路实现框图

其实现电路中主要元件包括两个电源稳压器、一个N型信号MOSFET、一个ADM1085和一个ADM1087。本电路支持大多数带使能输入的DC-DC调节器。ADM1085输入端上的电阻分压器用于精确监控第一个电源输出VOUT1。它确保使能第二个电源输出VOUT2之前第一个电源已上电。此外,ADM1085的VIN引脚可以直接连接到第一个调节器的电源良好输出端(如果有的话)。上电过程中,C1控制VOUT1和VOUT2之间的时间延迟,而关断过程中,C2控制VOUT2和VOUT1之间的时间延迟。

除了ADM108x系列外,对于要求更加精确的上电和关断序列控制应用,在相应的电压和温度范围内,可以使用精度可达±0.8%的ADM1184四通道电压监控器或使用带可编程时序控制的ADM1186四通道电压序列器和监控器。

例如ADP5134四通道调节器便集成了两个3-MHz、1200-mA降压调节器和两个300 mA LDO,每个调节器都有一个独立的使能引脚,当使能输入的电压升至 VIH_EN (最小值为0.9 V)以上时,器件退出关断模式,且管理模块开启,但不会激活调节器。在输入电压和温度转折处,基准电压的变化幅度只有±3%。ADP5134典型的时序控制功能便可以通过采用ADM1184监控一个调节器的输出电压,并在被监测输出电压达到某个电平时,向下一个调节器的使能引脚提供一个逻辑高电平信号。这种方法可用于不具有精密使能功能的调节器,确保精密的时序控制,解决采用分立器件时遇到的各种问题。


使用ADM1184四通道电压监控器对ADP5034四通道调节器实施时序控制

此外,ADI还有诸如ADM1168超级时序控制器等可配置电源监控/时序控制器件,可针对多电源系统中的电源监控和时序控制提供一种单芯片解决方案。该器件还提供多达8路可编程输入,用于监控多达8个电源的欠压故障、过压故障或窗口外故障。此外,8路可编程输出可以用作逻辑使能。其中6路可编程输出也可以提供最高12 V输出,用于驱动可置于电源路径的N-FET栅极。该器件提供一个非易失性EEPROM模块,可用来存储用户定义信息以及保存多条故障记录,故障记录由用户定义的时序控制引擎在发生特定故障或序列时写入存储器。ADM1168通过可编程写入EEPROM的配置数据进行控制,全部配置可以利用ADI公司具有直观图形用户界面(GUI)的软件包进行编程。

本文小结

在设计多电源电路系统时,时序控制器、监控器、调节器和控制器具有非常高的功能集成度,便于设计工程师处理潜在的电源问题,而无需采用全部是分立IC的电路板。ADI的模拟时序控制器集成精密比较器,针对电压调节器组提供上电和掉电时序控制功能。该系列产品的部分型号可互相级联,从而提供可扩展解决方案,将功能扩展至多个器件,能够为应对蜂窝基础设施、电信、数据通信和数据中心应用的电源时序控制挑战提供易于使用的解决方案。

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