引言

　　現今，電子系統往往具有許多不同的電源軌。在采用模擬電路和微處理器、DSP、ASIC、FPGA的系統中，尤其如此。為實現可靠、可重復的操作，必須監控各電源電壓的開關時序、上升和下降速率、加電順序以及幅度。既定的電源系統設計可能包括電源時序控制、電源跟蹤、電源電壓/電流監控和控制。有各種各樣的電源管理IC可以執行時序控制、跟蹤、上電和關斷監控等功能。

　　時序控制和跟蹤器件可以監控和控制多個電源軌，其功能可能包括設置開啟時間和電壓上升速率、欠壓和過壓故障檢測、余量微調（在標稱電壓值的一定范圍內調整電源電壓）以及有序關斷。適合這些應用的IC種類眾多，簡單的如利用電阻、電容和比較器構成的純模擬器件，復雜的如高集成度狀態機和通過 I2C bus.總線進行數字控制的可編程器件。某些情況下，系統的電壓調節器和控制器可能包括關鍵控制功能。

　　對于采用多個開關控制器和調節器的系統，還有一個考慮是器件以不同開關頻率工作時，如何將產生的系統噪聲降至最低。常常需要同步調節器的時鐘，事實上，如今的許多高性能開關控制器和調節器都可以與外部時鐘同步。

　　圖1. 電源軌的控制類型

　　電源時序控制和跟蹤

　　所謂電源時序控制，是指以指定順序開關電源。電源時序控制可以簡單地基于既定的時間順序，或者一個電源的開啟時間取決于另一個電源何時達到設定的閾值。電源跟蹤基于這樣一個事實：電源電壓無法（一般也不應）瞬間改變。電源系統設計師可以利用這一特性，有效地控制系統中各電源相對于其它電源的斜率。電源跟蹤分為三類：同步、比率和偏移。圖1中的四幅圖對時序控制、同步跟蹤、比率跟蹤和偏移跟蹤進行了比較。

　　圖1a中，三個電源按一定的時間順序開啟和關閉。首先是3.3 V電源開啟，后續電源的開啟和關閉延遲時間取決于應用的需要。如果額定最大值要求電源按一定的順序激活，這種簡單的時序控制技術將能確保有源器件的電壓不會超過額定最大值。舉例來說，在ADC驅動的放大器上電之前，我們必須保證ADC的電源存在，否則可能損壞ADC的前端。

　　圖1b顯示同步跟蹤情況，所有三個電源同時開啟，并且以相同的速率彼此跟蹤，因此最低電源電壓首先建立，然后是較高的電源電壓。電源關斷以相反的方式進行。這個例子很好地說明了舊式FPGA或微處理器應用中電源是如何接通的：首先激活較低的內核電壓，然后接通輔助或I/O電源。稍后將以Xilinx Virtex-5 FPGA的同步跟蹤舉例說明。

　　圖1c中，電源以不同的斜率上電。如前所述，能夠對電源的斜率dV/dt進行控制是一個非常有用的特性，它可以防止電路中去耦電容的大浪涌電流（充電電流）損壞器件。如果不加限制的話，浪涌電流可能大大超過標稱工作電流。斜率限制可以防止有源器件閂鎖、電容短路、PCB走線受損以及線路保險絲熔斷。

　　圖1d中，所有電源具有相同的斜率，但其施加時間由預定的失調電壓決定。此類跟蹤適用于需要限制電源電壓差（常常出現在DAC和ADC等混合信號器件的額定最大值部分）的器件，這種方法可以防止器件永久性受損。

　　基于FPGA的設計示例

　　使用FPGA系統的供電是探討多電源系統處理的活教材。適當的FPGA電源控制對于實現可靠、可重復的設計至關重要，否則可能會在實驗室甚至現場引發災難性故障。大多數FPGA具有多個電源軌，一般表示為 VCCO， VCCAUX， 和 VCCINT. 這些電源分別用于為FPGA內核、輔助電路（如時鐘和PLL等）、接口邏輯供電。

　　這些電源軌需要考慮的事項可以分為如下幾類：

　　電源軌的時序控制

　　電源軌電壓的容差要求

　　電源可能有軟啟動或斜率控制需求

　　下面以Xilinx Virtex-5系列FPGA的電源要求為例來說明，該系列提供許多特性，包括邏輯可編程能力、信號處理和時鐘管理。根據數據手冊，Virtex-5的電源上電順序要求為 VCCINT， VCCAUX， and VCCO. 這些電源相對于地的斜坡時間為200 μs（最小值）至50 ms（最大值）。建議工作條件如表1所示。

　　The 如前所述，Virtex-5要求同步電壓跟蹤。此外，電源必須在特定的建議工作容差范圍內，而且必須在特定的dV/dt范圍內上升和下降。

　　But the 但是，FPGA只是一個較大系統的一部分。為了進一步闡明本例，假設有一個高電流、5 V主系統電源軌。為FPGA內核供電的1 V電源具有±5% （±50 mV）的容差，需要提供最高4 A的電流。3 V電源為通用邏輯電源，具有±5%的容差，在本例中需要提供4 A電流以便為FPGA I/O和設計中的其它邏輯器件供電。2.5 V電源為模擬電源，需要提供低噪聲的100 mA電流。

　　針對此應用，利用雙通道降壓控制器ADP1850提供1 V和3 V高電流電源是一個很好的解決方案。ADP1850具有許多特性，其中包括：軟啟動控制、同步跟蹤以及主從電源時序控制。上電時的上升速率由SS1和SS2引腳上的電容控制。本例中，3 V數字電源是主電源。針對2.5 V模擬電源，超低噪聲 低壓差調節器（LDO） ADP150是絕佳選擇，它可以利用ADP1850的PGOOD2信號進行時序控制。圖2為該系統的簡化框圖，顯示了時序控制的一般流程，詳情參見ADP1850數據手冊。

　　圖2. Virtex-5的電源系統

　　上例說明了時序控制和跟蹤的常見使用方式，可以將其擴展到當今的許多多電源系統，包括基于微處理器的系統和涉及混合信號技術（ADC和DAC）的系統。

　　模擬電壓和電流監控（ADM1191）

　　針對要求精密監控多個系統電源電流和電壓的高可靠性應用，可以使用簡單易行的模擬監控電路。例如， 數字電源監控器，ADM1191 提供1%的測量精度，包括一個用于電流和電壓回讀的12位ADC、一個精密電流檢測放大器以及一路用于提供過流中斷的ALERTB輸出。圖3顯示了ADM1191結合一個主控制器（如微處理器或微控制器等）的應用。

　　圖3. 簡單的電源電壓和電流監控器

　　ADM1191通過 I2C 總線與主控制器通信。通過配置A0和A1引腳的邏輯輸入電平，同一系統最多可以支持16個器件的尋址。本地控制器可以將測得的電壓與電流相乘，從而計算電源軌的功耗。發生過流狀況時，ALERTB信號通過一個中斷快速通知控制器，這個關于故障狀況的快速報警可以幫助保護系統免遭損壞。