电源管理――原理、问题和器件

关键字： 电源  电源管理  调节 

引言

电源设计工程师通常采用灵活的电源监视、时序控制和调节电路来管理他们的系统。1本文讨论电源管理的原理和方法。

多年来，为了使电子系统安全、经济、耐用和正常工作，对越来越多的电源电压进行监测和控制变得极为重要——特别是对于使用微处理器的系统。监测一组电源电压是否超过阈值或者仍然处于正常工作范围内，以及该电压是否相对于其它电压依照正确时序启动或关闭，对于系统工作的可靠性和安全性来说是至关重要的。

对于这个问题，在每个不同角度上都有着许多解决的方法。例如，利用一个由精密电阻分压器、比较器和参考电压所组成的简单电路，能够用来检测一组电源电压是否高于或低于某一规定电压。在复位发生器中，例如ADM803，2这种元件与一个延迟元件相结合来控制器件——例如微处理器、专用集成电路（ASIC）和数字信号处理器（DSP）——在电源启动的同时就处于复位状态。这种等级的监测对于许多应用来说是足以胜任的。

当需要监测多组电源电压时，通常将多个器件（或是多通道比较器及其相关电路）并联使用，但是增加了对监控IC的要求，不再是简单的阈值比较。

例如，考虑一个常见的电源时序要求：现场可编程逻辑门阵列（FPGA）制造商通常会要求使用者必须在提供5 V输入和输出（I/O）电压之前必须先对内核器件提供20 ms以上的3.3 V电压，以避免对器件加电时可能受到损坏。满足这样的时序要求，对于可靠性来说至关重要，就像使器件工作在规定的电源电压和温度范围内一样重要。

另外，在许多应用中，电源的数目也显著增加。在一些复杂、昂贵的系统中，例如局域网（LAN）交换机和蜂窝电话基站，通常都会有内含10组或更多电源的线路卡；即使注重降低成本的消费类系统，例如等离子电视，也可能有多达15组的独立电源，其中许多电源需要监测和时序控制。

现今许多高性能的IC都需要多组电源，例如，对于许多器件而言，提供独立的内核电源电压和I/O电源电压已成为一种标准作法。在高端产品方面，每颗DSP可能需要高达四个独立供应的电源。在许多情况下，多颗多电源器件可能共同存在于同一系统中，其中包含FPGA、ASIC、DSP、微处理器和微控制器（以及模拟单元）。

许多器件都采用标准电源电压（例如 3.3 V），而另一些器件可能需要专用电源电压。除此之外，一个特定的标准电压还可能需要根据不同的供应对象而个别加以调整。例如，有时会需要像3.3 VANALOG 和3.3 VDIGITAL这样独立供应的模拟电源和数字电源。为了提高效率（例如：供应给内存使用的电源电流可能达到数百安培）或者为了满足时序要求（个别的器件在不同时间需要3.3 VA以及3.3 VB），多次产生相同的电压有时可能是必要的。所有的这些因素都促使电源数目的增加。

电源电压监测和时序控制有时会变得极为复杂，特别是当一个系统必须设计成能够支持电源上电和电源关断的时序控制、以及能够在工作期间内不同时间点上，针对各组电源所有可能的故障状况产生多种响应，而中心电源管理控制器正是解决这个难题的最佳方案。

随着电源电压数目的成加，故障发生的机率也随着增加。其风险与电源数目、器件数量和系统复杂程度成比例增加。外在因素也会增加风险，例如，假如在初始设计阶段，主要的ASIC的特性没有被完整的定义清楚，那么电源设计工程师必须用硬件方法完成电压阈值监测和时序控制，因为会随着ASIC的发展其电源电压指标会发生变化。假如其技术要求改变，那么其PCB必须根据——明确的进程予以修改，这通常涉及到成本问题。另外，对于某些特定器件来说，其电源电压的指标可能会在其开发期间有所变化。在这种情况之下，对于任一个中心电源系统管理器来说，一个易于调整电源电压的方法应该是非常有用的。事实上，在对于此类系统的电源进行监测、时序控制和调节所应具备的灵活性是非常必要的。

要评估选定的故障保护机制和时序控制的鲁棒性，会是一件相当庞大的工作。因此，一个可以简化这个评估过程的器件能够加速PCB的评估并且缩短上市时间。不论是在工作现场或者在从PCB开发到产品原型评估的整个设计阶段，故障记录以及电压和温度数据都会是很有用的特性。

基本监测

图１示出一个利用ADCMP354比较器和参考电压源IC监测多组电源电压的简单方法。其中，每组电源都使用一个独立的电路，电阻分压器将电源电压降低，并对每一组电源电压设定一个欠压跳变点。此外，所有的输出都结合起来，以产生一个公共的电源好信号。

POWER-GOOD=电源准备好

REF=参考电压

图１.用于三电源系统基于比较器的欠压检测和共同电源准备好输出指示。

基本时序控制

图２示出了如何用分立器件完成基本的时序控制，此处采用逻辑阈值而不是比较器。这里的12 V和5 V电源是在别处电路产生的。为了确保系统能够正确地工作，必须导入一段时间延迟。在此是利用一个电阻电容（RC）的组合，以便缓慢地将串联的5 V电源电压施加在 N沟道场效应晶体管（FET）的栅极上。此处所选用的RC值可确保在FET达到其阈值电压并且在开启之前有足够的延迟时间，其中3.3 V和1.8 V电源电压是由低压差（LDO）稳压器ADP3330和ADP3333产生的。这两个电压的启动时间也是利用RC时序控制的。由于RC能驱动每个LDO的关闭（SD）接脚，因此是不需要串联FET。这里设定的RC值是为了确保在SD接脚的电压爬升到其阈值以前有足够的延迟时间（t2, t3）。

这种简单、低成本的时序控制电源的方法，占用很少的PCB面积，所以许多应用都能够完全接受。这种方法适合于成本是主要考虑，对于时序要求很简单，而且时序电路的精确性不是十分重要的系统。

但在许多情况下，还会需要有比RC延迟电路更高的精确性。此外，这种简单的解决方案也不能容许以结构化的方法来处理故障情况（例如：一个5 V电源电压失效最后也会影响到其它电源电压）。

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