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憑藉更高效的方式控制多電壓軌

本文作者:Mirko Bernacchi       點擊:6765 2018-04-19 13:42
前言:
系統晶片(SoC)、FPGA和嵌入式模組的各式電壓軌以正確之順序上電其過程可能非常複雜,因此工程師需要選定一個恰當的解決方案。如下文所述,現代排序(sequencing)技術有許多方法可以幫助簡化該項任務。
 
簡介:
嵌入式系統領域現在所仰仗的基於處理器的當代設計都要求在不同電壓下提供電源,除了具有不同電壓值以外,這些電壓軌必須以特定之順序啟動,處理器內核,相關外設,I/ O總線(例如LVDS,I2C,SPI等)以及內存資源都需要依次上電。透過上電排序,可以規避在啟動過程中可能損壞子系統敏感元件中較大浪湧電流之風險。
 
隨著整合度越來越高的發展趨勢,嵌入式系統的特性通常會有更大比例被整合到單個SoC裝置上,以省去電路板空間並降低物料清單(BOM)成本。這樣的SoC需要多個電源軌,每個電源軌具備適當之電壓電平,並被施加到相關引腳。那些不採用SoC的廠商通常會使用可編程邏輯,而大型FPGA也會讓工程師們遇到類似的(如果不是更大的話)電源軌複雜性。在某些情形下,電路板上的其他元件也可能需要不同的電壓軌,離散式元件(MOSFET,IGBT等),感測器(CMOS成像元件,磁力計等)或執行器(馬達驅動器,LED驅動器等)可能都需要專用的電壓軌。
 
即便要實施一個相對簡單的嵌入式系統,也可能有相當數量的電壓軌(當今超過10個的並不少見)。需要分配工程資源以保證遵守正確的上電順序 --- 在其他電壓軌相關的穩壓器被激活之前,由給定功率穩壓器提供的輸出需要達到足夠的高電平。由於以精確的方式量測定時相比量測電壓更直接,因此基於定時的方法通常更為有效,這是基於在電壓軌上預期的值將在設定時間段內達到的原則。
 
不同電壓軌上電之間的時間間隔通常非常短(只有幾毫秒),但它可能比這更長(實際上幾秒鐘)。例如,如果系統內的某個機電零部件(例如加熱器)需要在系統中隨後的元件被激活之前達到其最佳溫度,或如果中央處理單元必須完成校準過程,則時間會被佔用,設計工程師需要意識到這些問題。
 
在整合到系統中的離散式功率轉換器每個都具有enable( 使能)引腳和power-good(電源正常)輸出,工程師可以使用每個power-good訊號來保證序列中的下一個轉換器僅在前一個電壓軌達到足夠高值後才可以開始,以便使該訊號得以繼續有效。如果一個或多個轉換器沒有enable輸入,工程師可以透過使用導通訊號來控制與輸出串聯的MOSFET柵極來實現排序。
 
在無法接入power-good訊號的情形下,工程師可能需要額外的電路來提供必要之幫助。透過該電路可以對一個電源轉換器之輸出電壓進行採樣,以生成另一個電源轉換器的enable訊號。電壓採樣的另一種方案是利用定時電路。然而,在這兩種情形下,都需要相當多數量之元件,導致更高的BOM成本,佔用大量PCB面積,並需要額外的工程資源來應對這些。當系統斷電時,也存在離散式元件出現反向上電排序的問題。與採用離散式方法相比,工程師可能會發現整合式的上電排序或基於PMIC的替代方案會更加有效。
 
德州儀器的LM3880(其特性框圖如圖1所示)能夠提供一種直接的實現方式,可以指定用於上電排序控制(元件的斷電過程與上電過程具有相同的序列和時間間隔,只是順序相反)。由於其三個漏極開路輸出標誌(在開始上電時都保持低電平),因而能夠產生enable訊號,提供三個獨立的電壓軌,並擁有選項將兩個排序器(sequencer)IC級聯在一起,形成六個可用的排序電壓軌。 PMIC包含有自己的精確enable輸入,這被連接到一個1.25V基準的內部比較器。籍此,工程師可以在收到邏輯訊號或者當另一個電壓軌達到某個預先設定的電平後開始安排上電順序。透過將電容連接到enable輸入可以將延遲包括在內。
 

 
圖1:德州儀器LM3880的特性方框圖。
 
當enable變為有效時,第一個輸出標誌在預置延遲(在OEM生產過程中被編程到EPROM中)後被置位。然後允許在第二標誌設置之前經過相同之時間段,並且在第三標誌被設置之前再次重複該時間段。可以從2ms到120ms中選擇6種不同的預設定時標記。
 
Maxim的MAX16029監控元件還具有電容可調延時特性,它可以透過一個PMIC對多達四個電壓軌進行排序。在Maxim公司產品組合中還擁有排序器晶片,使工程師能夠透過PMBus介面設置定時。這意味著它們中的一些可以以菊花鏈方式連接在一起,以便處理更大數量之電壓軌。
 
透過採用整合多種電源元件之排序技術,工程師可以受益於顯著降低的電路板空間和整個系統的複雜性。德州儀器的TPS65916 PMIC整合有五個可配置的降壓轉換器,它們負責為處理器內核供電,以及各式不同微處理器裝置中的記憶體和I/O。透過支援自適應電壓調節,這些轉換器能夠提供高能效的運作,而不會影響系統的功率預算。該PMIC還包含五個低壓差控制器,方便應用於低電流或低噪聲領域。工程師可以透過一次性可編程記憶體來配置上電和斷電順序,以便更好地滿足其應用需求。
 
某些情形可能需要更複雜的排序,因此需要考慮更寬泛的電壓軌。在這種情形下,開啟和關閉排序必須以更高的精密度進行管理,指定一個簡單的排序器或通用PMIC可能不夠,所需要的是微控制器單元(MCU)之完整用戶可編程能力。
 
Microchip的PIC16F1XXX系列(如圖2所示)為工程師提供了一個能夠應對大量電壓軌的上電排序解決方案,其用戶可編程嵌入式固件可用於定義所需的定時,該元件還為設置power- good標準以及上升和下降階段提供了充足的準備。 10位元類比 - 數位轉換器將每個電源軌數位化16次,然後運算平均值(以便可以準確評測性能表現)。 MCU的診斷特性意味著如果一個電源失效,該情形會很快被標記。
 

圖2:Microchip的PIC16F1XXX系列可支援多種電壓軌的靈活上電排序。
 
結論
正如前面所述,確保在開啟/關閉電子電路時使用適當的排序是至關重要的,這樣可以保持電路長期的運作完整性,並且不會以任何方式損害系統可靠性。實現這種排序之解決方案可以從基本的排序器到更多特性豐富的PMIC,乃至完全可編程的MCU元件。現在市面上有許多不同的選擇,只是需要評測哪種排序方法最適合主要的設計目標(例如最大化性能表現,降低BOM,應對有限之空間限制,抑制系統功耗等),然後才可以採購必要的裝置。