電源時序管理和電源電壓監(jiān)控管理芯片

作者Email: cherh@dragonhk.com

摘要：本文介紹了一種新的用于電源控制的可編程芯片?？稍趩蝹€芯片上實(shí)現(xiàn)多的電源時序控制和監(jiān)控功能，并且所有的控制結(jié)果可以立即的仿真出來，要更改設(shè)計(jì)時，只要對器件的E2CMOS(r) 配置內(nèi)存重新編程就可以了。

關(guān)鍵詞：電源控制；場效應(yīng)功率管；可編程邏輯器件；內(nèi)部振蕩器

前言

目前控制電源時序和監(jiān)測方案大都是：電阻或電容等分離器件搭起來實(shí)現(xiàn)控制的，如A,B兩種電壓,要求A先上電,然后B上電。則使用A處理好的電壓作為B的電荷泵的激勵源，這樣的兩路還較容易實(shí)現(xiàn)控制，但精確性已經(jīng)不足；兩路以上的話PCB畫起來就不十分簡潔了，若再精確的延時控制就需要加上電容實(shí)現(xiàn)；更加精確的延時控制還需要通過CPLD計(jì)時來實(shí)現(xiàn)，但這都建立在主控電壓正常穩(wěn)定的基礎(chǔ)下。偌主控電壓稍不正常，種種電壓引起的問題依然會出現(xiàn)。

一些簡單的時序控制也可以用復(fù)位芯片組成，但當(dāng)要求的控制電源較多時，比較繁瑣，而且靈活性不強(qiáng)，電源控制部分稍作改動，就需要重新改板。要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測保護(hù)功能的話，還需要再加監(jiān)測芯片。復(fù)雜的上電順序，可用單片機(jī)調(diào)試來實(shí)現(xiàn)的，這就需要我們了解單片機(jī)的寄存器結(jié)構(gòu)使用等等，需要調(diào)試。在自身供電電壓上，很多單片機(jī)都要求比較嚴(yán)格，大致為3.3V和5V，正負(fù)10％的偏差，沒有一般專用時序電路那樣范圍大，如POWERPAC，為2.25V到5.5V。另外在控制外圍NMOS時，需要外加MOS驅(qū)動。在市場上也有一些時序控制芯片，可以控制多路電源，內(nèi)置電荷泵，可以開啟外圍的NMOS，時序間隔采用外圍阻容來調(diào)節(jié)，但一般沒有監(jiān)測保護(hù)功能，且定時不太精確。

Powepac是業(yè)界第一片混合信號可編程邏輯器件（PLD），它內(nèi)含在系統(tǒng)可編程的模擬和邏輯組塊，能提供經(jīng)過優(yōu)化的電源管理功能，這一功能對如今的多電源電子系統(tǒng)是至關(guān)重要的。而且芯片自身對電壓供給要求非常低，2.25V至5V該芯片都可以穩(wěn)定正常的工作，從而保證了整個板子對供電穩(wěn)定性的高冗余度。該器件集成了可編程邏輯、電壓比較器、參考電壓及高電壓的場效應(yīng)管驅(qū)動器，支持單芯片可編程供電定序與監(jiān)控，為總值達(dá)到 120 億美元的電源半導(dǎo)體市場奉獻(xiàn)了獨(dú)特的可編程控制方案。POWERPAC是目前業(yè)績比較新、由Lattice公司推出的電源時序控制和電壓保護(hù)監(jiān)測等功能集于一身的芯片。

2 POWERPAC的構(gòu)成

POWERPAC是由模擬輸入、數(shù)字輸入、時序控制的 PLD、時鐘和定時器、模擬比較器輸出、控制高壓輸出、邏輯輸出共七部分組成（圖一）。

模擬輸入用于各路電壓的檢測，為內(nèi)置基準(zhǔn)的比較器提供輸入，內(nèi)置電壓基準(zhǔn)可編程為1.03V到5.72V范圍 內(nèi)192個等級上的任一電壓；時鐘和定時器電路為內(nèi)部數(shù)字電路提供時鐘基準(zhǔn)，以及產(chǎn)生四個可編程的定時器，250 kHz 的內(nèi)部振蕩器在芯片產(chǎn)生時鐘（另外也可以根據(jù)需要由外部引入時鐘），可編程定時器的定時在32μs 到 512ms之間靈活編程控制；

控制高壓輸出和邏輯輸出用于控制開啟MOS開關(guān)和DC/DC模塊等，特別說明的是：控制高壓輸出可以配置成高壓輸出，利用內(nèi)部的電荷泵，產(chǎn)生高達(dá)12V的電壓，用于控制作為開關(guān)的小導(dǎo)通電阻NMOS；開啟MOS開關(guān)過程長短可以編程，工程師可以根據(jù)使用現(xiàn)場靈活控制，開關(guān)減少開啟時對電源系統(tǒng)的沖擊，以保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定。另外高壓輸出端也可以配置為和邏輯輸出一樣的OC門輸出，用于邏輯控制。

圖2

比較器輸出和數(shù)字輸入可和板上的相關(guān)外圍電路結(jié)合起來，完成用戶設(shè)計(jì)的一些特定功能。時序控制PLD是POWERPAC的主控部分，利用各種輸入的檢測，根據(jù)用戶的控制程序，利用高壓輸出和邏輯輸出來控制時序和實(shí)現(xiàn)保護(hù)，圖2示出一款POWERPAC1208的詳細(xì)結(jié)構(gòu)框圖。

Lattice公司免費(fèi)提供基于PC機(jī)的設(shè)計(jì)工具―― PAC-Designer，具有功能強(qiáng)大、簡單易用的特點(diǎn)，幫助您設(shè)計(jì)、綜合仿真和燒寫電路板上的電源管理電路。當(dāng)你仿真完成后，通過POWERPAC的JTAG口下載到器件中的E2COMS中，實(shí)現(xiàn)了 JTAG 在系統(tǒng)可編程能力 ，靈活、有效地跟蹤電源。

3 POWERPAC在單板上的應(yīng)用

該應(yīng)用是介紹Powerpac在RPR板上的應(yīng)用，該板共要求有3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.3V六種直流電壓，另外還有兩種用于QDR和DDR的總線匹配電壓0.75V和1.25V，分別要求跟蹤QDR和DDR的IO供電電壓1.5V和2.5V。各電壓要求直接或間接從48V輸入變換得到。

本板上需要控制電源的主要芯片為：網(wǎng)絡(luò)處理器（NPU）、QDR、DDR。各芯片要求上電順序如下；

為滿足上電順序及電源監(jiān)控保護(hù)的要求，還有整個板上電源的有效管理，采用了Lattice公司的電源控制專用芯片ispPAC_POWR1208來控制。由于本板上的電源較多，功率較大的特點(diǎn)，故在設(shè)計(jì)時采用隔離電源模塊先得到3.3V和2.5V的直流輸出，然后按特點(diǎn)采用非隔離模塊、LDO以及電源芯片產(chǎn)生所需電壓。

具體見圖3單板電源時序和監(jiān)控管理框圖。

圖3

從單板實(shí)現(xiàn)的框圖中，可以看到我們利用POWERPAC1208，將48V輸入DC/DC模塊輸出3.3V和2.5V通過高壓直接驅(qū)動NMOS作為開關(guān)，來進(jìn)行時序控制，LDO和非隔離DC/DC模塊則通過邏輯輸出控制其開啟腳，來達(dá)到綜合此單板器件所需要的電源1.3V、3.3V、1.8V、1.5V、2.5V的先后時序，另外總線終端（BUS TERNIMAL）則采用專用終端芯片，使1.25V和0.75跟隨相應(yīng)的2.5V和1.5V。

時序中的時間間隔設(shè)計(jì)見后面介紹的程序，可以用POWERPAC提供的四個定時器來定時，也可以用檢測某一電壓開通之后作為條件，再開通另一電壓的方法實(shí)現(xiàn)。

另POWERPAC還提供電壓監(jiān)測保護(hù)的功能，當(dāng)檢測到有電壓超過相應(yīng)的預(yù)先設(shè)定的閥值時，立即產(chǎn)生一個中斷的動作，完成用戶指定的中斷操作，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。這里設(shè)定得閾值基準(zhǔn)可編程為1.03V到5.72V范圍 內(nèi)192個等級上的任一電壓，擁有1％的標(biāo)準(zhǔn)電壓閾值可調(diào)度。在我們的設(shè)計(jì)里，當(dāng)3.3V電壓大于3.4V（3.3+3.3*5%=3.458V）或者2.5V大于2.6V(2.5V+2.5V*5%=2.622V)時，產(chǎn)生中斷，切斷電源，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

4 POWERPAC的編程及配置

POWERPAC的編程和配置，利用Lattice公司免費(fèi)提供基于PC機(jī)的設(shè)計(jì)工具―― PAC-Designer,簡單易用。先可以寫出需要控制的偽代碼，然后利用PAC-Designer設(shè)計(jì)出代碼。仿真無錯后，下載于器件中。我們利POWERPAC1208控制時序的偽代碼如圖4。

其中等待時間如圖5 ，t1,t2,t3,t4,t5,t6 為Powerpac1208內(nèi)部的250 kHz 的內(nèi)部振蕩器在芯片產(chǎn)生時鐘, 產(chǎn)生四個可編程的定時器:Timer1--16.38ms ; Timer2-2.048ms ; Timer3-2.048ms ; Timer1-262.1ms 來實(shí)現(xiàn)的.如果有些設(shè)計(jì)需要的定時器時間超過了512ms，那么就可以雙擊圖5中的開關(guān)，把開關(guān)配置在外部的時鐘上，靈活實(shí)現(xiàn)各種時延要求。

圖5

利用POWERPAC的開發(fā)工具PAC-Designer可以將偽代碼設(shè)計(jì)成工程正式代碼，編譯仿真后可寫于器件中。本板開發(fā)代碼的界面如下圖6。

圖6

通過圖6,我們可以看到整個控制實(shí)現(xiàn)的配置過程:

Step0 :Begin Startup Sequence 是每個設(shè)計(jì)都需要的一句開始語,告訴我們的軟件設(shè)計(jì)開始了,是ispPAC-POWER1208復(fù)位指示.

Step1 :FET_Driver_3V3=0, FET_Driver_2V5=0,LDO1V8_En=0,Brick1V5_En=0,B… 是表示關(guān)閉3.3V和2.5V的FET驅(qū)動，關(guān)閉1.8V和1.5V的LDO導(dǎo)通信號。至于FET_Driver_3V3，F(xiàn)ET_Driver_2V5，LDO1V8_En，Brick1V5_En等都是我們在軟件中自己給信號起的名字。

Step2:一個條件D>等3.3V和2.5V信號都為高電平以后。

Step3：一個條件－>滿足Step2的條件以后，等待一個16.38ms的時間（16.38ms是用的計(jì)時器Timer2）。

Step4： 執(zhí)行一個結(jié)果了，在滿足Step3以后，把Brick1V3_En的信號拉高，實(shí)現(xiàn)了輸出1.3V的允許，就把單板的1.3V的電壓打開了。

Step5：一個條件D>等輸入1.3V為高電平以后。

Step6：一個條件－>滿足Step5的條件以后，等待一個2.048ms的時間（2.048ms是用的計(jì)時器Timer1）。

Step7：執(zhí)行一個結(jié)果了，在滿足Step6以后，把FET_Drive_3.3V的信號拉高，實(shí)現(xiàn)了輸出打開3.3VFET的允許，就把單板的3.3VFET MOS管開始打開了。至于打開FET的導(dǎo)通斜率，在圖7 中有闡述。

以后Step8，Step9，Step10，Step11……意思相同，這里就不一一解釋了。

圖7

在圖7中，可以通過調(diào)節(jié)Charge Pump Output 的Voltage 和Source 值來，控制FET導(dǎo)通時的斜率。從圖中我們可以看到，如果這四個控制輸出不用作FET的導(dǎo)通，可以把它們配置成Open Drain Logic Output ，即可用作為一般的控制LDO,DC/DC…的控制導(dǎo)通信號。

5 使用POWERPAC電源控制結(jié)論

現(xiàn)在采用在線可編程數(shù)字邏輯和在線可編程模擬電路實(shí)現(xiàn)電源時序控制和電壓監(jiān)測和保護(hù)功能。無需使用較多的比較器、電阻、電容、定時器和邏輯，就在單個芯片上實(shí)現(xiàn)完全的電源定序和監(jiān)控功能！并且所有的控制結(jié)果都可以立即的仿真出來，ispPAC 電源管理器件就能為您做到這些。要更改設(shè)計(jì)時，只要對器件的E2CMOS(r) 配置內(nèi)存重新編程就可以了。使用下來最大的感受就是：簡單、方便、可靠、準(zhǔn)確。