电源工程师设计札记（一）：轻松完成电源设计

作者：时间：2012-08-10来源：网络收藏

　　But the 但是，FPGA只是一个较大系统的一部分。为了进一步阐明本例，假设有一个高电流、5 V主系统电源轨。为FPGA内核供电的1 V电源具有±5% （±50 mV）的容差，需要提供最高4 A的电流。3 V电源为通用逻辑电源，具有±5%的容差，在本例中需要提供4 A电流以便为FPGA I/O和设计中的其它逻辑器件供电。2.5 V电源为模拟电源，需要提供低噪声的100 mA电流。

　　针对此应用，利用双通道降压控制器ADP1850提供1 V和3 V高电流电源是一个很好的解决方案。ADP1850具有许多特性，其中包括：软启动控制、同步跟踪以及主从电源时序控制。上电时的上升速率由SS1和SS2引脚上的电容控制。本例中，3 V数字电源是主电源。针对2.5 V模拟电源，超低噪声低压差调节器（LDO） ADP150是绝佳选择，它可以利用ADP1850的PGOOD2信号进行时序控制。图2为该系统的简化框图，显示了时序控制的一般流程，详情参见ADP1850数据手册。

　　图2. Virtex-5的电源系统

　　上例说明了时序控制和跟踪的常见使用方式，可以将其扩展到当今的许多多电源系统，包括基于微处理器的系统和涉及混合信号技术（ADC和DAC）的系统。

　　模拟电压和电流监控（ADM1191）

　　针对要求精密监控多个系统电源电流和电压的高可靠性应用，可以使用简单易行的模拟监控电路。例如，数字电源监控器，ADM1191 提供1%的测量精度，包括一个用于电流和电压回读的12位ADC、一个精密电流检测放大器以及一路用于提供过流中断的ALERTB输出。图3显示了ADM1191结合一个主控制器（如微处理器或微控制器等）的应用。

　　图3. 简单的电源电压和电流监控器

　　ADM1191通过 I2C 总线与主控制器通信。通过配置A0和A1引脚的逻辑输入电平，同一系统最多可以支持16个器件的寻址。本地控制器可以将测得的电压与电流相乘，从而计算电源轨的功耗。发生过流状况时，ALERTB信号通过一个中断快速通知控制器，这个关于故障状况的快速报警可以帮助保护系统免遭损坏。

　　时序控制和监控的结合

　　大型固定系统，甚至某些高性能插卡，具有许多需要控制和监控的电源轨。图4涉及到一个具有8个电源轨的复杂电源系统的控制。系统的核心是ADM1066它是一款灵活的高集成度超级电源时序控制器Super Sequencer® 可提供完整的电源控制功能，特性包括时序控制、监控、余量微调和编程能力。ADM106x系列中的其它器件还具有温度监控和看门狗功能。

　　图4. 8轨电源系统的控制

　　8轨系统具有三个主电源轨：12 V、5 V和3 V。其它电源轨则是利用开关调节器和LDO从这些主电源轨产生。每个调节器具有一路使能输入，它由ADM1066的10路可编程驱动器（PD）输出之一驱动，因此用户可以按照一定的受控顺序使所有电源轨上电。ADM1066具有一个片上电荷泵，可以提升6路PD输出电压以提供外部N-MOSFET的高驱动电压；当需要控制更高电压的电源时，外部N-MOSFET用作电源轨开关。

　　ADM1066具有片上EEPROM，用以存储电源系统控制参数。ADI公司的实用程序为器件配置提供了便利，大大简化了上电和运行任务，消除了费时的代码开发工作。当系统进一步发展，以及有新器件加入设计时，可以轻松调整电源序列。时序参数和电压跳变点很容易重新编程。这个功能非常有用，可以节省开发时间，降低电路板开发可能延误的风险

　　数字输出信号——PWRGD（电源良好）、VALID和SYSRST（系统恢复）——由ADM1066在轮询时产生，或者通过中断/数字输入提供，以便将电源系统的状态告知系统微控制器，从而在发生故障时能够采取措施。这种快速通知可以防止电容短路和其它危险状况引发灾难性损害。PWR_ON和/RESET是从系统控制器到ADM1066的数字输入，用以形成完整的系统控制环路。
利用ADM1066进行电源余量微调

　　在系统开发期间，当设计 工程师需要调整电源电压以优化其电平或使其偏离标称值时，可以使用ADM1066的片内DAC来执行电源余量微调。利用这种余量微调特性，可以在电源限制范围内对系统进行全面特性测试，而不需要使用外部仪器。该功能通常是在在线测试（ICT）期间执行，例如：当制造商希望保证受测产品能够在标称电源电压±5%的范围内正常工作时。基于图4所示的电路，用户可以在许多电源轨上实现余量微调。

　　开环电源余量微调

　　对DC/DC转换器或LDO等电源进行余量微调的最简单方法，是将额外电阻切换到电源模块的反馈节点中，以改变反馈或调整节点的电压，从而利用DAC迫使输出电压上调或下调所需的幅度。采用这种衰减器（图5）时，可以通过SMBus更新相关DAC输出的值，从而远程命令ADM11066执行电源余量微调。该过程可以利用独立于系统控制环路的开环技术实现。

　　图5. 开环余量微调

　　ADM1066最多可以为6个电源执行开环余量微调，它利用6个片上电压输出DAC（DAC1至DAC6）驱动要微调的电源模块的反馈引脚。实现这一功能的最简单电路是利用一个衰减电阻（R3），将DACx引脚连接到DC/DC转换器的反馈节点。当DACx输出电压设定为与反馈电压相等时，无电流流入衰减电阻，DC/DC转换器的输出电压不发生变化。当DACx输出电压高于反馈电压时，电流流入反馈节点，DC/DC转换器的输出必须下降以进行补偿。要提升DC/DC转换器输出，DACx输出电压设定值须低于反馈节点电压。为降低噪声，如图中所示，可以将该串联电阻分成两个电阻，其间的节点可以通过一个电容去耦到DC/DC转换器的地

　　闭环电源余量微调

　　一种更精确、更全面的余量微调方法是在闭环系统中使用类似的电路。图4所示为针对1.2 V输出的一个例子。要微调的电源轨电压可以通过VX2回读，确保将其精确调整到目标电压。ADM1066集成了执行微调所需的全部电路，12位逐次逼近型ADC用于读取受监控电压的电平，6个电压输出DAC用于按照上述方法调整电源电平。这些电路可以配合微控制器等其它智能器件使用，以实现闭环余量微调系统，它可以将DC/DC转换器或LDO电源设定到任何电压，精度为目标值的±0.5%。

　　为了在要测试的电源轨上实现闭环余量微调，请执行下列步骤：

　　禁用6路DACx输出。

　　DACx输出电压设定为反馈节点电压

　　使能DAC

　　读取连接到VPx、VH或VXx引脚之一的DC/DC转换器输出的电压。

　　需要时，提高或降低DACx输出电压以调整DC/DC转换器输出电压。否则就停止，目标电压已经达到。

　　将DAC输出电压设定为某一值，使电源输出改变所需的幅度（例如±5%）。

　　重复该过程，直至达到该电源轨所需的电压

　　步骤1至3确保各DACx输出缓冲器开启时，它对DC/DC转换器输出的直接影响非常小。DAC输出缓冲器的作用是消除上电时的瞬变“毛刺”，因为缓冲器首先上电并跟随引脚电压，此时它不驱动该引脚。一旦输出缓冲器正确使能，缓冲器输入即切换到DAC，缓冲器的输出级开启，从而消除输出毛刺。

　　开关调节器的同步

　　在具有多个电源轨并使用一个以上开关调节器或控制器的系统中，由于内部开关频率的差异，这些器件之间可能会相互作用。这会引起拍频谐波，大幅提高电源噪声，严重影响EMI测试。幸运的是，许多开关控制器和调节器在设计上都支持内部时钟同步。LDO不存在这个问题，但其电流输出有限，并且在大多数情况效率较差，因此有时可能不合需要。

　　双通道开关调节器ADP2116 就是可同步器件的一个很好的例子。通过SCFG引脚，可将其SYNC/CLKOUT引脚配置为输入SYNC引脚或输出CLKOUT引脚。作为输入SYNC引脚，它可让ADP2116与外部时钟同步，两个通道以外部时钟频率的一半、彼此180°错相工作。

　　作为输出CLKOUT引脚，它可提供输出时钟，其频率是通道开关频率的两倍且90°错相。因此，一个配置为CLKOUT的ADP2116可以充当主转换器，为所有其它DC/DC转换器（包括其它ADP2116器件）提供外部时钟（图6）。配置为从器件时，它接收主器件的外部时钟并与之同步。通过同步系统内的所有DC/DC转换器，这种方法可防止产生能导致EMI问题的拍频谐波。