满足多电压系统上电监视和排序要求的两款电源管理IC分析

时间:2022-03-03 16:58来源:

摘要:在高端设备中,如电信设备、存储模块、光学系统、网络设备、服务器和基站等许多复杂系统,这些系统大都采用了FPGA和其他需要多个电压轨的,如微控制器、DSP、ASIC和微处理器等数字集成电路,系统中各电源的上电顺序也很关键。

在高端设备中,如电信设备、存储模块、光学系统、网络设备、服务器和基站等许多复杂系统,这些系统大都采用了FPGA和其他需要多个电压轨的,如微控制器、DSP、ASIC和微处理器等数字集成电路,系统中各电源的上电顺序也很关键。正确的上电顺序可以避免闭锁现象的发生,从而防止系统出现问题而导致一些重要元件的损坏。
对电源设计工程师而言,选择合适的输入电源来给系统供电并不是一项轻而易举的普通任务。设计多轨电源时,每增加一个电源轨,挑战都会成倍增加。设计工程师必须考虑怎样动态协调电源排序和定时、加电复位、故障监视、提供恰当的响应,以保护系统稳定运行的方方面面。本文分别以亚德诺半导体(ADI)公司两款电压排序电路为例,分析针对复杂系统电压监测和常见的主电池与备份电池优先级排序问题解决方案。
 
完全集成排序器/监视器简化复杂系统电压监测与上电排序
监测电源电压最简单的方法就是通过上电复位电路(复位电路)或者电压检测电路。这些电路既可对单个电源电压进行检测,也可对多个电源电压进行检测。当被检测的电源加电后,电源电压超过复位电路电压门限之后要再过一段时间,复位电路输出才发生变化,指示电源电压已经正常,这样就可使系统时钟稳定下来,同时保证在微处理器工作之前完成系统引导和初始化工作。
复位电路和电压检测器也可用于电源上电次序的控制。把用来监视某个稳压器电压的复位电路的输出接到下一个稳压器的关断控制引脚(也就是链环起来),这样就会使一个稳压器工作正常后再经过一个设定的延迟,下一个电源才开始工作。
当系统需要的电源电压的数目增加时,就需要用多个电压监视器和电压监控器对电压进行监视了。由于一个复杂系统通常可能需要10至16个电源电压,因此也就需要多个此类电压监控器件。经验丰富的设计工程师都知道,成功应对这种系统环境的关键是灵活性,在开发过程中能够最大限度减少软硬件更改的解决方案是理想解决方案。
 
一种解决电源监视和上电顺序控制的最简单的办法就是采用高度集成的、EEPROM可配置的系统管理芯片,如ADI的MAX6870。MAX6870六电压排序器/监视器为简化复杂设计提供了一个完全集成的方案。该款EEPROM配置器件在设置门限、输出结构和延时方面具有极大的灵活性。
 
该芯片集成了电源电压检测、电源上电顺序控制和简化余量过程所需的全部功能。MAX6780的灵活性体现在:可以很方便的改变多个输入的电压门限、可以任意改变电源上电顺序、可以把输入任意配置为开漏、推挽或者加强型电荷泵结构、可以把其数字输入和数字输出设置为高电平有效或者低电平有效,此外,在余量过程中输出既可被禁止也可设为预定的状态。
上图为MAX6870的内部功能框图。该电路有6个输入,可用于监视系统中各个电源的电压,还可同时承担其它任务。每个输入都有两种门限电平可供选择,既可设置为两个都是欠压检测状态,也可设置为一个是过压检测状态而另一个是欠压检测状态(即窗口检测器)。门限电平可以通过I²C接口来进行设置,并保存在配置EEPROM中。门限电平的范围为0.5V至5.5V,根据选择的门限电平,步长可以是10mV或20mV。IN1可以检测的电压高达13.2V,因此直接用来检测12V (或稍低)的系统总线电压。第二个输入IN2用来检测另外一个较高的电压或是负电压。其它输入IN3–IN6用来检测0.5V至5.5V范围内的电源电压。
根据内部可编程逻辑阵列的连接设置,这6个检测器输入和4个公用输入(GPI)即决定了8个输出的状态。同样,通过把输入和输出进行混接,一些输出就可以由该器件的其它输出来控制。每个输出的延迟可独立设置并保存在电路内部的EEPROM中。
该器件的输出也可以进行设置,可以设为内上拉开漏结构或外上拉开漏结构,也可以设为推挽结构,输出端可在芯片内部直接接到任何一个被检测的电源电压。所有输出既可以设为高电平有效,也可设为低电平有效。如上所述,也可用输入、输出的不同组合来驱动每一个输出,MAX6870的可编程逻辑阵列可以进行很多种连接。
此外,MAX6870还有配置寄存器和配置EEPROM。在项目样机开发阶段,可以把要修改的数据写入配置寄存器,系统配置就会马上改变。如果需要保存这些修改,可以随后再写入到配置EEPROM中。如果需要把配置EEPROM的数据重新调入,可以通过软起动或者硬启动的方法重新启动系统。在启动过程中,系统会把EEPROM的数据下载到配置寄存器。
 
主电池与备份电池间的双输入无缝排序
MAX6870解决了复杂系统若干电压的排序问题,接下来考虑一款分立式解决方案——输出的优先级排序在一个7.4V两节锂离子主电池和一个9V碱性备份电池之间进行(为了方便这里的讨论,本文所说的“主电池”指的是优先级较高的锂离子电池)。当输出上电并在两个输入电源之间切换时出现的问题。一个有效的主电压接通其电源通路,这产生大的浪涌电流以给输出电容器充电。与电池的有效串联电阻(即ESR)相组合,该电流导致V1降至低于切换门限。
现在无效,主电源通路关闭,从而允许V1电压恢复。当V1恢复到足以再次有效时,开关重新接通。该过程重复进行,产生了一种被称为“汽船声”(motor boating)的低频振荡干扰现象。LTC4419可根据优先级以一种无缝的方式完成电源选择,简称“优先级排序”。这些产品是18V、双输入、0.5A优先级排序器,具有微功率工作电源和集成的电源开关。
LTC4419的两个输入V1和V2均能在1.8V至18V工作,因而可适应多种电源。集成的2Ω电源通路开关允许在无需增设外部MOSFET的情况下进行优先级排序。完整的应用电路仅需单个阻性分压器。LTC4419的快速电流限制电路可避免产生大的浪涌电流以及由它引起的电压过冲和振铃。
当从较高的电源切换至较低的电源时,在本场合中是从9V备份电池切换至7.4V主电池,LTC4419通过仅在输出降至低于7.4V之后激活其主电源通路消除了反向馈电。LTC4419输入可耐受高达-15V的负电压,因而可避免因电池插入时极性接反而受损。这些特性使LTC4419能为多种应用提供一款高性能、高效率和紧凑的优先级排序器解决方案,是多用途的易用型双输入优先级排序器,可极大地简化电源选择。
 

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