電源工程師設計札記（一）：輕松完成電源設計

　　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。

　　時序控制和監控的結合

　　大型固定系統，甚至某些高性能插卡，具有許多需要控制和監控的電源軌。圖4涉及到一個具有8個電源軌的復雜電源系統的控制。系統的核心是ADM1066它是一款靈活的高集成度超級電源時序控制器Super Sequencer® 可提供完整的電源控制功能，特性包括時序控制、監控、余量微調和編程能力。ADM106x系列中的其它器件還具有溫度監控和看門狗功能。

　　圖4. 8軌電源系統的控制

　　8軌系統具有三個主電源軌：12 V、5 V和3 V。其它電源軌則是利用開關調節器和LDO從這些主電源軌產生。每個調節器具有一路使能輸入，它由ADM1066的10路可編程驅動器（PD）輸出之一驅動，因此用戶可以按照一定的受控順序使所有電源軌上電。ADM1066具有一個片上電荷泵，可以提升6路PD輸出電壓以提供外部N-MOSFET的高驅動電壓；當需要控制更高電壓的電源時，外部N-MOSFET用作電源軌開關。

　　ADM1066具有片上EEPROM，用以存儲電源系統控制參數。ADI公司的實用程序為器件配置提供了便利，大大簡化了上電和運行任務，消除了費時的代碼開發工作。當系統進一步發展，以及有新器件加入設計時，可以輕松調整電源序列。時序參數和電壓跳變點很容易重新編程。這個功能非常有用，可以節省開發時間，降低電路板開發可能延誤的風險

　　數字輸出信號——PWRGD（電源良好）、VALID和SYSRST（系統恢復）——由ADM1066在輪詢時產生，或者通過中斷/數字輸入提供，以便將電源系統的狀態告知系統微控制器，從而在發生故障時能夠采取措施。這種快速通知可以防止電容短路和其它危險狀況引發災難性損害。PWR_ON和/RESET是從系統控制器到ADM1066的數字輸入，用以形成完整的系統控制環路。
利用ADM1066進行電源余量微調

　　在系統開發期間，當設計工程師需要調整電源電壓以優化其電平或使其偏離標稱值時，可以使用ADM1066的片內DAC來執行電源余量微調。利用這種余量微調特性，可以在電源限制范圍內對系統進行全面特性測試，而不需要使用外部儀器。該功能通常是在在線測試（ICT）期間執行，例如：當制造商希望保證受測產品能夠在標稱電源電壓±5%的范圍內正常工作時。基于圖4所示的電路，用戶可以在許多電源軌上實現余量微調。

　　開環電源余量微調

　　對DC/DC轉換器或LDO等電源進行余量微調的最簡單方法，是將額外電阻切換到電源模塊的反饋節點中，以改變反饋或調整節點的電壓，從而利用DAC迫使輸出電壓上調或下調所需的幅度。采用這種衰減器（圖5）時，可以通過SMBus更新相關DAC輸出的值，從而遠程命令ADM11066執行電源余量微調。該過程可以利用獨立于系統控制環路的開環技術實現。

　　圖5. 開環余量微調

　　ADM1066最多可以為6個電源執行開環余量微調，它利用6個片上電壓輸出DAC（DAC1至DAC6）驅動要微調的電源模塊的反饋引腳。實現這一功能的最簡單電路是利用一個衰減電阻（R3），將DACx引腳連接到DC/DC轉換器的反饋節點。當DACx輸出電壓設定為與反饋電壓相等時，無電流流入衰減電阻，DC/DC轉換器的輸出電壓不發生變化。當DACx輸出電壓高于反饋電壓時，電流流入反饋節點，DC/DC轉換器的輸出必須下降以進行補償。要提升DC/DC轉換器輸出，DACx輸出電壓設定值須低于反饋節點電壓。為降低噪聲，如圖中所示，可以將該串聯電阻分成兩個電阻，其間的節點可以通過一個電容去耦到DC/DC轉換器的地

　　閉環電源余量微調

　　一種更精確、更全面的余量微調方法是在閉環系統中使用類似的電路。圖4所示為針對1.2 V輸出的一個例子。要微調的電源軌電壓可以通過VX2回讀，確保將其精確調整到目標電壓。ADM1066集成了執行微調所需的全部電路，12位逐次逼近型ADC用于讀取受監控電壓的電平，6個電壓輸出DAC用于按照上述方法調整電源電平。這些電路可以配合微控制器等其它智能器件使用，以實現閉環余量微調系統，它可以將DC/DC轉換器或LDO電源設定到任何電壓，精度為目標值的±0.5%。

　　為了在要測試的電源軌上實現閉環余量微調，請執行下列步驟：

　　禁用6路DACx輸出。

　　DACx輸出電壓設定為反饋節點電壓

　　使能DAC

　　讀取連接到VPx、VH或VXx引腳之一的DC/DC轉換器輸出的電壓。

　　需要時，提高或降低DACx輸出電壓以調整DC/DC轉換器輸出電壓。否則就停止，目標電壓已經達到。

　　將DAC輸出電壓設定為某一值，使電源輸出改變所需的幅度（例如±5%）。

　　重復該過程，直至達到該電源軌所需的電壓

　　步驟1至3確保各DACx輸出緩沖器開啟時，它對DC/DC轉換器輸出的直接影響非常小。DAC輸出緩沖器的作用是消除上電時的瞬變“毛刺”，因為緩沖器首先上電并跟隨引腳電壓，此時它不驅動該引腳。一旦輸出緩沖器正確使能，緩沖器輸入即切換到DAC，緩沖器的輸出級開啟，從而消除輸出毛刺。

　　開關調節器的同步

　　在具有多個電源軌并使用一個以上開關調節器或控制器的系統中，由于內部開關頻率的差異，這些器件之間可能會相互作用。這會引起拍頻諧波，大幅提高電源噪聲，嚴重影響EMI測試。幸運的是，許多開關控制器和調節器在設計上都支持內部時鐘同步。LDO不存在這個問題，但其電流輸出有限，并且在大多數情況效率較差，因此有時可能不合需要。

　　雙通道開關調節器ADP2116 就是可同步器件的一個很好的例子。通過SCFG引腳，可將其SYNC/CLKOUT引腳配置為輸入SYNC引腳或輸出CLKOUT引腳。作為輸入SYNC引腳，它可讓ADP2116與外部時鐘同步，兩個通道以外部時鐘頻率的一半、彼此180°錯相工作。

　　作為輸出CLKOUT引腳，它可提供輸出時鐘，其頻率是通道開關頻率的兩倍且90°錯相。因此，一個配置為CLKOUT的ADP2116可以充當主轉換器，為所有其它DC/DC轉換器（包括其它ADP2116器件）提供外部時鐘（圖6）。配置為從器件時，它接收主器件的外部時鐘并與之同步。通過同步系統內的所有DC/DC轉換器，這種方法可防止產生能導致EMI問題的拍頻諧波。

　　圖6. 利用外部時鐘同步多個ADP2116

　　結束語

　　本文討論多電源系統的處理方法。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。這些器件對設計工程師非常有用，可以提高設計成功的概率，降低重新設計的可能性和電路板開發延誤的風險。