系統管理IC滿足多電壓系統的監視和排序要求

摘要：MAX6870六電壓排序器/監視器為簡化復雜設計提供了一個完全集成的方案。該款EEPROM配置器件在設置門限、輸出結構和延時方面具有極大的靈活性。

在大多數電子設備中，對系統電壓進行監視是非常重要的，這樣可保證處理器和其它IC在系統上電時被復位，還可以監測到電壓的下降，從而把代碼執行過程中出現問題的概率降到最小，避免存儲器發生沖突或者系統工作不正常。在高端產品中，系統中各電源的上電順序也很關鍵。正確的上電順序可以避免閉鎖(latch-up)現象的發生，從而防止系統出現問題而導致一些重要元件的損壞，如微控制器(μC)、 DSP、ASIC和微處理器等。通常要實現這里所說的正確加電次序和監視功能，往往需要一個或多個監控芯片。

在以往的電子設備中，這些功能常常是借助上電復位電路和微處理器監控電路來實現的。近年來，隨著系統電源電壓種類的增多，實現上述功能所需的器件數目也越來越多，因此系統變得越來越復雜，成本也會提高，還會增大電路板面積。

復雜系統的電壓監視和上電次序控制

監測電源電壓最簡單的方法就是通過上電復位電路(POR)或者電壓檢測電路。這些電路既可對單個電源電壓進行檢測，也可對多個電源電壓進行檢測。當被檢測的電源加電后，電源電壓超過POR電壓門限之后要再過一段時間，POR輸出才發生變化，指示電源電壓已經正常，這樣就可使系統時鐘穩定下來，同時保證在微處理器工作之前完成系統引導和初始化工作。POR電路和電壓檢測器也可用于電源上電次序的控制。把用來監視某個穩壓器電壓的POR電路的輸出接到下一個穩壓器的關斷控制引腳(也就是鏈環起來)，這樣就會使一個穩壓器工作正常后再經過一個設定的延遲，下一個電源才開始工作。

當系統需要的電源電壓的數目增加時，就需要用多個電壓監視器和電壓監控器對電壓進行監視了。由于一個復雜系統通常可能需要10~16個電源電壓，因此也就需要多個此類電壓監控器件。

采用多個監控電路時會遇到的問題

采用多個監控電路也存在自身的問題。其中之一就是如何才能找到可滿足不同門限電壓要求的監視器件。盡管有多種標準電源電壓的檢測器件，如3.3V、2.5V、1.8V、1.5V和1.2V，但是還有許多非標準電壓也需要監視。對非標準電壓的監視，可以采用外接電阻分壓器的方法來設定監視門限電壓。如果采用了這種方案，當系統電源電壓變化時(例如為了降低功耗而降低ASIC內核工作電壓；或者為提高ASIC的性能而增加ASIC內核電源電壓)，就不得不改變電阻分壓器中電阻的阻值，才能適應這些新的電壓。要想使檢測電路具有這種靈活性，就需要外接電阻，當然電路板也就會隨之變大，成本也會隨之提高。選擇正確的復位超時間隔時，也會出現同樣的問題。

當一個系統要求它的電源必須按照特定的順序依次上電時，采用多個監控器電路還會遇到另外一個問題。對于具有多個電源的系統來說，若所有電源同時加電，上面提到的鏈環技術也許不能保證定時絕對滿足要求。如果在開發過程中還需要對電源的上電順序進行調整，那么監控器電路也就不得不隨之進行相應的改變，這將是非常麻煩的。

當這些大系統采用“銀盒”電源或者“磚型”電源時，還會出現其它的順序上電問題。采用“銀盒”電源或者“磚型”電源會簡化電源的設計，但是當要求電源按照特定順序依次上電時，就會遇到一些問題。例如可提供多種電壓的磚型電源可能只有一個使能控制引腳，在該引腳的控制下，磚型電源的所有電源輸出會同時打開或同時關閉。采用有多個使能(或關斷)輸入的磚型電源可以解決這個問題。然而，如果多個IC共用同一個電源(如3.3V I/O邏輯電路電源和1.8V內核電源)，那么這兩個IC的電源要求彼此之間就有可能相互沖突，一個器件也許要求內核電源要在I/O電源之前，而另外一個IC的要求可能正好相反。

以上問題可以通過外接開關(如MOSFET)來解決。在小功率產品中，可采用p溝道MOSFET。通常p溝道MOSFET比n溝道MOSFET要貴一些，但是使用簡單。由于n溝道MOSFET的導通電阻更低，可以減小開關兩端的電壓降，故適合于大電流產品，也可用于給工作電壓非常低的內核供電。但是，要想充分發揮n溝道MOSFET的開關性能，電源電壓還要足夠高，這樣才能為柵極－源極提供適當的電壓。系統中如果沒有這樣較高的電源電壓，可采用電源排序器MAX6819/MAX6820來控制順序上電過程，其內部的電荷泵可以保證柵極－源極之間的電壓為5V。這個壓降對一些系統來說是太高了，因此電路板設計人員有時就干脆將穩壓器數目翻番，以避免出現上電順序方面的問題。

當電源電壓的數目增加時，可使用多個MAX6819/MAX6820配合工作以實現電源管理任務。當使用多個POR電路時，這些上電順序控制電路可以采用鏈環的方式。然而當需要的電源電壓很多時，這種方案需要的分立IC就太多，增加了系統總成本，還浪費了板面空間。

余量(margining)功能

對電源電壓進行檢測并實現上電順序控制對系統高度穩定來說是非常重要的。對于電信設備、網絡設備、服務器和存儲設備等常用的大型復雜系統來說，還需要對一些關鍵元件另外進行測試。余量測試就是一個例子，也就是檢查電源電壓瞬時變高或變低時系統的性能。余量通常是在設計時設定，在制造過程中實現的。余量用于改善一個系統的長期穩定性。

對電源電壓進行調整可以通過如下辦法：微調穩壓器的基準輸入(對于電壓穩壓器模塊而言)、改變電壓穩壓器反饋環路、調整“磚型”電源的trim輸入、通過接口對穩壓器進行編程。余量控制可分為不同的等級，一種就是所謂的“全或無”(all or nothing)，也就是電源電壓按固定量(如±5%或±10%)增加\減少，另外一種更精確的方法就是讓電源電壓按較小的步長(如10mV或100mV)增加或減小，這樣就可對系統性能進行更細致的評估。如果希望得到系統在正常工作和余量控制時的詳細信息，可以采用數模變換器(ADC)來進行精確的測量。需要提醒的是，在余量過程中，要關斷控制微處理器的POR電路，以避免系統復位。

對一個大系統進行余量控制是一項相當繁復的工作，因此可采用多個監控芯片，讓它們承擔電壓檢測和上電順序控制任務的同時，一并實現余量控制。然而，這種方法也可能會出現問題，那就是除了導致IC成本提高、電路板變大之外，要想改變電源電壓電平或器件的上電順序，將是非常困難的。這是因為所要求的設計變更非常繁瑣。

集成化系統管理芯片

一種解決電源監視和上電順序控制的最簡單的辦法就是采用高度集成的、EEPROM可配置的系統管理芯片，如MAX6870。該芯片集成了電源電壓檢測、電源上電順序控制和簡化余量過程所需的全部功能。MAX6780的靈活性體現在：可以很方便的改變多個輸入的電壓門限、可以任意改變電源上電順序、可以把輸入任意配置為開漏、推挽或者加強型電荷泵結構、可以把其數字輸入和數字輸出設置為高電平有效或者低電平有效，此外，在余量過程中輸出既可被禁止也可設為預定的狀態。

圖1為MAX6870的內部功能框圖。該電路有6個輸入，可用于監視系統中各個電源的電壓，還可同時承擔其它任務。每個輸入都有兩種門限電平可供選擇，既可設置為兩個都是欠壓檢測狀態，也可設置為一個是過壓檢測狀態而另一個是欠壓檢測狀態(即窗口檢測器)。門限電平可以通過I2C*接口來進行設置，并保存在配置EEPROM中。門限電平的范圍為0.5V~5.5V，根據選擇的門限電平，步長可以是10mV或20mV。IN1可以檢測的電壓高達13.2V，因此直接用來檢測12V (或稍低)的系統總線電壓。第二個輸入IN2用來檢測另外一個較高的電壓或是負電壓。其它輸入IN3-IN6用來檢測0.5V~5.5V范圍內的電源電壓。

查看大圖
圖1. 該芯片可以監視多個電源電壓并能進行上電順序控制，可以讀出檢測電壓經AD后的值，內帶EEPROM，一些關鍵參數如門限電平、定時、邏輯、輸出結構都可以很方便的進行調整。

先由內部多路復用器將這6個檢測器輸入和兩個輔助輸入切換到10位、精度為1％的ADC。然后由ADC把8個輸入電壓數字化后寫入內部寄存器。在進行余量過程、微調電源輸出電壓、檢查系統電壓的長期穩定性時，通常可通過I2C接口來調用這些被存儲起來的電壓值。與此同時，利用輔助輸入端可以獲得兩個附加輸入的電壓值，例如電流傳感放大器的輸入電壓或溫度傳感器的輸入電壓。

只要IN3-IN6中任意一個輸入端的電壓超過2.7V的最小工作電壓，或者IN1上的電壓超過4V，芯片就開始工作。以上輸入中的任何一個都可通過圖1所示的二極管為芯片供電。

根據內部可編程邏輯陣列的連接設置，這6個檢測器輸入和4個公用輸入(GPI)即決定了8個輸出的狀態。同樣，通過把輸入和輸出進行混接，一些輸出就可以由該器件的其它輸出來控制。每個輸出的延遲可獨立設置并保存在電路內部的EEPROM中。

該器件的輸出也可以進行設置，可以設為內上拉開漏結構或外上拉開漏結構，也可以設為推挽結構，輸出端可在芯片內部直接接到任何一個被檢測的電源電壓。所有輸出既可以設為高電平有效，也可設為低電平有效。如上所述，也可用輸入、輸出的不同組合來驅動每一個輸出，MAX6870的可編程邏輯陣列可以進行很多種連接，例如，OUT2可以由IN2控制，也可以由OUT1控制，當要求OUT1信號驅動的電源比OUT2信號驅動的電源早出現時，就需要采用這樣的連接。

MAX6870內部還有一個電荷泵，允許OUT1-OUT4直接外接N溝道開關器件，而無需其它電源。該器件的另外一個特點是內帶兩個看門狗定時器，看門狗超時時間和起始延遲可以自行設定。看門狗在復位操作后產生一個長時間的起始延遲，以供系統在這段時間內進行初始化、存儲器數據的上傳和軟件的例行測試。

人工復位輸入允許測試技術人員手動控制所有的輸出。該集成電路的余量輸入可用于鎖存各輸出的當前狀態，防止系統在余量過程中復位。通過對相關EEPROM寄存器進行編程的方法，也可用余量輸入來把各輸出設為預定狀態。MAX6870還有4kb的用戶EEPROM，用來保存一些其它內容，如電路板序列號、電路板版本號和其它信息。

此外，MAX6870還有配置寄存器和配置EEPROM。在項目樣機開發階段，可以把要修改的數據寫入配置寄存器，系統配置就會馬上改變。如果需要保存這些修改，可以隨后再寫入到配置EEPROM中。如果需要把配置EEPROM的數據重新調入，可以通過軟起動或者硬啟動的方法重新啟動系統。在啟動過程中，系統會把EEPROM的數據下載到配置寄存器。

MAX6870評估板

為簡化MAX6870的配置過程，提供了一個評估板，通過點擊計算機屏幕即可輸入正確的配置信息。每一個頁面都可以對器件的部分參數進行設置，而不需要參考注冊表。可以通過屏幕來設置門限電平、延遲、邏輯工作狀態(高電平有效還是低電平有效)、邏輯輸入和輸出結構。

圖2是MAX6870評估軟件的主要架構。可以點擊方框圖或標簽中的某一個方框對其進行設置。點擊某一標簽可打開對應的功能頁面。例如，點擊Voltage Monitor標簽(圖3)，可在隨后顯示的頁面上輕松選擇門限電平以及對輸入進行配置；點擊Outputs標簽(圖4)，可以把輸出類型設置為開漏、推挽或加強型電荷泵，還可以設置決定輸出狀態的輸出邏輯。

圖2. 點擊對應的方框或標簽，可以進行門限電壓、延遲、輸出結構和邏輯的設置。