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      干貨 | 基于高性能模擬時序控制器,輕松實現復雜電源時序控制

      有序使人安定,無序使人慌亂,秩序對社會生活的重要性不言而喻。同理,電源時序是微控制器、FPGA、DSP、ADC和其他需要多個電壓軌供電的器件所必需的一項功能,不遵守正確的電源時序會影響器件的穩定性,連續違反時序控制模式會損壞片內保護電路并產生長期損害。本文通過介紹多種電源時序控制的實現,簡述應對多領域應用的電源時序控制挑戰ADI是如何提供易于使用解決方案的。

      優化電源時序控制的一般性原則

      多電壓軌供電應用通常需要在數字I/O軌上電前對內核和模擬模塊上電,但有些設計可能需要采用其他序列。無論如何,正確的上電和關斷時序控制可以防止閂鎖引發的即時損壞和ESD 造成的長期損害。此外,電源時序控制可以錯開上電過程中的浪涌電流,這種技術對于采用限流電源供電的應用十分有用。

      下圖所示為一種要求多個供電軌的FPGA應用,這些供電軌為內核電源、I/O 電源、輔助電源和系統存儲器電源。通常來說,FPGA應用會具有一個內置上電復位電路,可確保在所有電源均達到其閾值后才允許對器件進行配置。這樣有助于降低電源時序控制要求,但為了實現較小浪涌電流電平并遵循連接至FPGA的電路時序控制要求,供電軌應當按內核電源-輔助電源-I/O電源的序列上電。

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      處理器和FPGA的典型供電方法

      對于更多普通電路應用而言,實現電源時序控制的一種簡單的方法就是利用電阻、電容、二極管等無源元件,延遲進入調節器使能引腳的信號。該方法可用于不要求采用精密時序控制的應用,以及只需延遲信號即可并可能只要求采用外部R和C的部分應用。對于標準調節器,采用這種方法的缺點在于,使能引腳的邏輯閾值可能因為電壓和溫度而存在很大的差異。此外,電壓斜坡中的延遲取決于電阻和電容值及容差。典型的X5R電容在–55°C至+85°C溫度范圍內的變化幅度約為±15%,由于直流偏置效應還會出現±10%的變化,從而使時序控制變得不精確,有時還會變得不可靠。

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      利用電阻、電容和二極管實現電源時序控制的簡單方法

      基于高性能模擬器件的精密電源時序控制實現

      因此,在某些情況下,實現精密時序比降低PCB面積和成本更重要。為了獲得穩定的閾值電平以實現精密時序控制,大多數調節器都要求采用一個外部電壓監控和序列器IC。例如ADM108x簡單時序控制器便可在上電期間對兩個電壓軌進行簡單的時序控制,時間延遲可通過電容進行編程。利用該系列的兩個器件可構成一個簡單的電路,從而以各自可編程的時間延遲對兩個電壓軌的上電和關斷進行時序控制。

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      ADM108x上電和關斷的典型時序控制要求與電路實現框圖

      其實現電路中主要元件包括兩個電源穩壓器、一個N型信號MOSFET、一個ADM1085和一個ADM1087。本電路支持大多數帶使能輸入的DC-DC調節器。ADM1085輸入端上的電阻分壓器用于精確監控第一個電源輸出VOUT1。它確保使能第二個電源輸出VOUT2之前第一個電源已上電。此外,ADM1085的VIN引腳可以直接連接到第一個調節器的電源良好輸出端(如果有的話)。上電過程中,C1控制VOUT1和VOUT2之間的時間延遲,而關斷過程中,C2控制VOUT2和VOUT1之間的時間延遲。

      除了ADM108x系列外,對于要求更加精確的上電和關斷序列控制應用,在相應的電壓和溫度范圍內,可以使用精度可達±0.8%的ADM1184四通道電壓監控器或使用帶可編程時序控制的ADM1186四通道電壓序列器和監控器。

      例如ADP5134四通道調節器便集成了兩個3-MHz、1200-mA降壓調節器和兩個300 mA LDO,每個調節器都有一個獨立的使能引腳,當使能輸入的電壓升至 VIH_EN (最小值為0.9 V)以上時,器件退出關斷模式,且管理模塊開啟,但不會激活調節器。在輸入電壓和溫度轉折處,基準電壓的變化幅度只有±3%。ADP5134典型的時序控制功能便可以通過采用ADM1184監控一個調節器的輸出電壓,并在被監測輸出電壓達到某個電平時,向下一個調節器的使能引腳提供一個邏輯高電平信號。這種方法可用于不具有精密使能功能的調節器,確保精密的時序控制,解決采用分立器件時遇到的各種問題。

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      使用ADM1184四通道電壓監控器對ADP5034四通道調節器實施時序控制

      此外,ADI還有諸如ADM1168超級時序控制器等可配置電源監控/時序控制器件,可針對多電源系統中的電源監控和時序控制提供一種單芯片解決方案。該器件還提供多達8路可編程輸入,用于監控多達8個電源的欠壓故障、過壓故障或窗口外故障。此外,8路可編程輸出可以用作邏輯使能。其中6路可編程輸出也可以提供最高12 V輸出,用于驅動可置于電源路徑的N-FET柵極。該器件提供一個非易失性EEPROM模塊,可用來存儲用戶定義信息以及保存多條故障記錄,故障記錄由用戶定義的時序控制引擎在發生特定故障或序列時寫入存儲器。ADM1168通過可編程寫入EEPROM的配置數據進行控制,全部配置可以利用ADI公司具有直觀圖形用戶界面(GUI)的軟件包進行編程。

      本文小結

      在設計多電源電路系統時,時序控制器、監控器、調節器和控制器具有非常高的功能集成度,便于設計工程師處理潛在的電源問題,而無需采用全部是分立IC的電路板。ADI的模擬時序控制器集成精密比較器,針對電壓調節器組提供上電和掉電時序控制功能。該系列產品的部分型號可互相級聯,從而提供可擴展解決方案,將功能擴展至多個器件,能夠為應對蜂窩基礎設施、電信、數據通信和數據中心應用的電源時序控制挑戰提供易于使用的解決方案。

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