基于多电压系统架构的电源监督与定序方案

zilog应用工程副总裁 peyman hadizad
zilog资深应用工程师 suresh gm

下面将介绍一种基于 zilog 的强大 8 位 z8 encore xp! 微处理器的全新多电压监督和定序解决方案。该方案利用 z8 encore xp!强大的 ez8 核心，以及芯片集成模拟外围设备的特定于应用程序的最优化阵列。

复杂系统电源架构中的电源监控和定序

目前，主板级电压监督功能的基本方法建立在上电复位 (por) ic 基础之上，或者分别是模拟 ic、晶体管和无源设备的成套组合。这些解决方案可以监控单个或多个电源总线架构。在基于 por ic 的解决方案中，在启动过程（电源电压斜线上升）中，一旦电源电压超过预设的电压阈值，就会启动一个编程的时间延迟顺序，随后会保持 por 的输出。这样允许系统时钟稳定，并且启动引导例程初始化，随后是 cpu 加电。

多个 por 和电压检测器也可用于为电源定序。将监控一个电压调节器的 por 输出连接到下一个稳压器的关闭管脚（即用雏菊链方式连接它们），这样一旦超过 por 的时间延迟，就会启动两个稳压器的操作顺序。随着系统电源电压数量的增加，电压监控器和监控电源的监督产品也成为必备条件。但是，因为需要10~15种电压才能为一套复杂系统加电，因此通常需要几种类似产品。

使用这种“多监督产品”方法会造成一系列问题。 一个问题涉及查找带有正确阈值的设备。尽管存在一系列标准电压，例如相应的 3.3v、2.5v、1.8v、1.5v 和 1.2v，但是在某些情况下还需要监控非标准电压。这需要外部电阻分配器设置监控的阈值。如果系统电源电压更改（例如，降低 asic 的核心电压以减少功耗，或提高它以增强 asic 的性能），就必须更改电阻值以适合这些全新的电压。获得这种灵活性需要这些额外的外部电阻器，从而增加占用的主板空间和成本。此外，选择正确的复位超时阶段也会发生问题。当系统必须提供一个具体的加电顺序时，多个监督产品就会发生另一个问题。但更多数量的电源电压为系统加电时，上文概述的雏菊链技术可能无法处理各种电源电压的斜线上升所需的定时顺序。此外，如果电压定序要求在产品开发阶段中发生改变，更改现有电路以适合这些改变会造成众多的麻烦和问题。

当这些大型系统使用“silver box”或“brick”电源时，会发生一个额外的定序问题。这些电源简化电源设计，但是在需要特定的加电顺序时会造成一个问题。例如，一个提供多个输出电压的 brick 电源可能只有一个单独的“启用”管脚。因此，在该管脚的控制下，所有输出电压会同时打开和关闭。带有多个“启用”（或关闭）输入的“brick”电源可以解决此问题。但是，如果多个 ic 共享相同的电源（例如一个 3.3v i/o 逻辑电源和一个 1.8v 核心电源），两个 ic 的要求可能发生冲突。一个设备可能要求其核心电源在 i/o 电源之前供电，而第二个设备可能要求其电源以相反顺序定序。可通过一个外部开关（例如 mosfet）解决此问题。对于低电能应用，可以使用一个 p 通道 mosfet，它通常比 n 通道 mosfet 昂贵，但是使用方法更简单。一个 n 通道 mosfet 是更高电流应用的理想之选，因为其低电阻可以减少开关的电压下降。一个 n 通道 mosfet 还可用于非常低的电压核心。但是，要完全提高一个 n 通道 mosfet，足够高的电源电压必须可用以便向源电压提供适当的门电路。

z8 encore xp! 闪存 mcu 基于 zilog 的高级 ez8 8 位 cpu 核心，并且是电压监督和定序应用执行的理想之选。其他目标最终应用包括家用器具（用户接口和电机控制）、环境传感器、电池充电和智能冷却。设备的结构图如图 1 所示。在此设备中，优化成套芯片集成模拟外围设备可以为控制和保护最终设备实现简单的设计和增强的功能，同时降低系统成本。

10 位模数转换器 (adc) 可以为数据转换最多提供八个单独的结束/微分通道，并且可选择 1x 或 20x 微分输入扩大率。此外，对于精度更高的电流测量，会将一个集成芯片跨导倒数放大器集成到 adc 模块中，因此不再需要一个额外的组件。

和多通道 adc 一起，设备的两个增强16位计时器块以 pwm 为特征，并且“捕获”和“比较”功能可用于同时操作两个负载，同时高电流 led 驱动输出在启动一个预先定义的事件时可用于触发 led，而不需要其他硬件。其他功能包括集成模拟比较器，“故障自动保险”振荡器机制提供可靠的操作，一个芯片集成温度传感器以及高达 128b 的 nvds。

基于encore xp! 的多电压监督和定序器解决方案

基于 encore xp! 解决方案的硬件配置和示意图分别显示在图 2 和图 3 中。12v 输入电源为交换式稳压器提供输入电压。执行分别带有 1.8v、3.3v 和 2 x 5.0v 的输出电压的四个交换式稳压器。在 mcu 电源电压为 3.3v 时，5v 稳压器依次为四行、二十个字符的 lcd 显示屏加电。

1.8v、3.3v 和 5.0v 交换式稳压器 的定序

因此切换的电压稳压器之间的可 编程延迟

电力负载的热交换块从主电源提 取高启动电流

12v 输入电源电压的可编程“开” 和“关”斜线上升

可编程电压过高、电压过低、电流 过高和温度过高监控，带有关闭
功能

提供给全部四个稳压器的总电流 的监控

使用芯片集成温度传感器的系统 温度的监控。通过参考系统温度 和芯片温度传感器的校准实现

用于显示和键盘控制器的 uart 接口，设置点编程和参数（电压、电 流、温度和顺序）的显示

lcd 显示屏上电压、温度和开/关 顺序的状态显示，见图4、图5

微控制器初始化 pwm 生成的计时器、uart（用于特殊通讯）、adc（用于电压、电流和温度测量）以及 i/o 管脚（用于稳压器的开/关切换）。最初，设备使用存储在闪存中的默认设置。然后，它轮询设置中的更新并将信息存储在 nvds 内存中。

mcu 的两个 pwm 输出之一可以连接到“热交换”块中的 mosfet，因此使用 encore xp! 的 16 位 pwm 计时器可以精确控制启动过程中和省电阶段的电压斜线上升率。pwm 频率保持在 5 khz。此外，mcu 的四个 i/o 管脚配置为输出管脚，并且分别连接到每个交换式稳压器的“启动”输入。

在八个模拟 adc 输入通道中，两个输入用于“微分”模式，以测量传感电阻的电压。通过这种方式，可以精确监控“总”电流。一系列其他 adc 输入管脚用于交换式稳压器输出电压的连续测量。

在启动阶段开始时，pwm 输出的工作循环根据用户定义的斜线上升率提高，直到达到最终输入电压。在时间中的这一点，根据电压稳压器的编程启动顺序，四个 mcu i/o 管脚的输出电压转换为高状态，在各自交换式稳压器上依次打开。在所有时间，稳压器的输出电压连续通过芯片 adc 监控。如果出现电压过高、电压过低、电流过高或温度过高故障，则连接到稳压器“启用”管脚的微控制器 i/o 管脚将转换为低状态 (~0v)，根据用户编程的关闭顺序将它们切换到“关”状态。完成此阶段后，“热交换”电路的 pwm 工作循环逐渐降低，直到线路电压下降为零。

总结

本文描述应用 zilog 最新的 encore xp! 8 位微控制器监控、控制和定序多电压电源分配架构。根据优化的成套芯片集成数字和模拟外围设备，此 mcu 是类似应用的理想之选。和目前的模拟解决方案相比，此方法提供各种编程监控、定序和其他控制功能的集成，可节省大量成本和主板空间。