关于电源时序管理的分析和介绍

通常情况下，生产测试都是多台机子连接起来才能完成的，用于测试的设备都放在手推车上，测试对象则整齐地放在桌子上，车子推到哪里，就在哪里连线、开机、测试、关机、拆线，然后再移动到下一个工位。在所有的工作中，连线和拆线是最辛苦的，因为为了可靠的缘故，所有的连接器都是圆形航空插头座，每次连接、拆除都需要连续旋转很多圈，因而手被累得实在是很辛苦。当年的这种工作给我带来一些习惯，我用的手机充电线从来不会坏掉，因为每一次的插拔都是下意识地从插头根部着力，软性的部分不会受力，因而也不易受损。

连线和拆线的过程都是在关机情况下进行的，开机和关机则有严格的顺序，接收信号的机子需要先开机、后关机，发出信号的机子则要后开机、先关机。举例来说，假如一台设备连接了显示终端，开机的时候就一定是先开显示终端，然后再开主机，关机时则要反过来。因为这个缘故，后来PC上出现可以热插拔的设备时，对我来说便是一件很新奇的事情，由此带来的自由也还会常常让我想起过去的不自由。

从表面上看，我早期所接触的这些设备都是很复杂的，它们需要被安装在大型的机箱、机柜中，但在实际上，其中的电路与今日的电子产品相比要简单许多，只不过所用器件的集成度很低，每一颗IC里所包含的电路极少，但封装却很大，所以需要占用大量的空间。一台设备要实现完整的功能，就需要使用很多块板子，板子之间再用线扎和连接器连接起来。每个板子上都有很多IC，但大多是很基本的逻辑器件，使用这种器件设计产品，效率很低，但由此带来的训练还是很值得的。有时候，我会对集成度比较高的器件进行反向推理，从而基本知道它的内部是如何实现的，其中最典型的是一款型号为MC6845的器件，这颗器件因为在早期的PC中被广泛使用而出名，我们使用它则是为了设计一款彩色CRT显示控制器的终端，最初的应用电路不是我设计的，但在我对它的内部逻辑进行推理以后提前发现了系统设计中的逻辑错误，为后来的顺利调试打下了基础，这个工作也为我后来在PC上对一款视窗软件进行汉化带来了帮助，相应的思想又在后来的工业应用中被成功利用，因为对一样东西的深入理解能在再次遇到时给你带来很大的方便。

在设备与设备之间进行连接的时候，加电的顺序是很重要的，这个概念可以被称为电源时序管理。上一回，我们说到用RT9266+RT9166为早期的MP3播放器供电的时候，RT9266从电池取电输出3.3V，再用RT9166得到2.5V或1.8V，这样的设计基本上利用的是转换器自身的自然特性，没有很严格的时序管理，这样的做法，某些情况下是可行的，某些时候可能就会遇到问题，它们的电流消耗会比正常情况下的大，而功能则可能不正常。

有很多数字器件的输入级可能就是一个反相器，它是由一颗P-MOSFET和一颗N-MOSFET构成的，它们的栅极连接在一起成为输入端，两者的漏极连接在一起成为输出端，两个源极则是电源VDD和地GND/VSS的连结点。当其输入端的电压处于某个区间时，可使两颗MOSFET同时导通，如果在此时加上电源，VDD和VSS之间就直接贯通形成电流了。下图是对这段话的图形化描述：

提供给这个输入端的信号，既可能是噪声，也可能是来自前级设备的输出。为了防范这样的问题发生，设计者需要在此输入端上采取一些措施来进行防范。

有的器件的输入端会有不得高于VDD+0.3V这样的要求，这样的器件在遇到本身没加电而前级已经加了电的情况时，输入级很容易就坏掉了，或是表现出某种不正常的现象，这种状况在类似RT9266这样的器件中也存在。先看看规格书上的电路图：

图中，EN端和VDD端是连接在一起的，这样它们的电压就会一起变化。假设你现在要对它进行外部控制，EN端就需要用其他信号源来驱动，假如这时候送到EN端的高电压先于VDD到达，或是它在某个时候会高于VDD电压一定的值，位于IC内部对芯片进行保护的二极管就会导通，电流将从EN端流向VDD端，这颗芯片通常就不能正常工作了。如果这样的状况一定会发生，必须在EN信号路径上串入一只比较大的电阻进行电流限制，有的时候还需要增加一只电容，故意把提供给EN的信号延迟。再来看看规格书，你就知道EN端的电压不能超过VDD+0.3V的规定确实是存在的，如下图中信息所示： 

但是在实际中有多少人会关注这样的内容呢？我对此真的没有多少信心，因为我自己也可能忘了这一点，希望看到这样内容的你以后会对此有所关注。

MOS器件的工艺结构本身也会带来一些问题，下图来自一家IC厂商的网站，图中从CMOS反相器的物理结构开始，将其中的寄生电路画了出来，最后用等效电路的形式给出了latch-up问题发生时的电路结构以及其中的电流流动情况。由于最后的电路是单向可控硅的结构，自锁以后的电路故障是无法消除的，唯有断电一法可以切断电流。

我觉得好玩的是这个网站在做了这么多工作的情况下，最后给出来的电路工作原理描述上却出现了错误（我认为的），所以就不照搬它的文字部分了，但我自己也不想做过多的叙述，感兴趣的读者自己进行吧。如果我都做完了，读者可能就不需要做任何努力了，我觉得这对培养读者的能力是不好的，但是这与“作者不努力，编辑就得努力；编辑不努力，读者就得努力”所描述的状况又是不一样的，因为我的目的是要让读者读了之后能够成长，所以你可以把这看作是现场作业，至于要不要做，你要自己做选择。

像这种出现在接口上的问题，使用多个工作电压的系统级芯片也特别容易出现，因为使用不同电压供电的各部分之间的接口部分在加电、断电过程中就会有同样的现象。所以，对于复杂的系统来说，关注电源时序是必须的。在我从事电源管理以后所接触的供电对象的规格书中，液晶显示屏提及电源时序要求的资料被我见到的次数是最多的，但可惜我已经很久没有接触了，所以想在这里提供一个范例的想法难以实现，请读者在自己的工作中去注意吧。

很多简单的电源转换器只是完成电压转换，用这种器件时进行时序管理会很辛苦。增加了使能控制的器件就会简单一点，像上述的RT9266就有使能端EN，可以用它完成开关控制。更进一步的转换器会有Power Good信号输出，它能在转换器输出正常时给出一个信号去通知别的电路，让它们可以据此同步工作，下图是一个例子：

RT2875是符合车规AEC-Q100规范的Buck器件，可在4.5V-36V输入下工作，最大负载能力为3A，我们可以用EN端的高电平让它进入工作状态，当其输出电压达到设定电压的90%以上时，PGOOD端就可以变成高电平，它又在输出电压下降到设定值的85%以下时变成低电平，设计者可以用它去控制另外一组电源的工作。实际上，绝大部分使用Power Good信号的器件，其内部都是漏极开路的MOSFET开关，只要外部加上上拉电阻就可以将其开关状态转换为电压的不同，因而很方便使用，IC内部的具体实现方法可在下图中看出来。

当使用多组电源时，每一组的使能信号、Power Good信号都需要进行处理，这活也实在是麻烦，所以，高度集成化的系统级电源管理器件（PMIC）会把这部分功能也集成起来，以便简化设计工作，有的芯片甚至可以有多种不同的时序可供选择，从而可以扩大器件的适用范畴。对于这样的设计，RT2070可以作为一个范例来介绍。

RT2070是针对摄像头应用的多输出IC，内部含有3组Buck、1组LDO和一个负载开关，可用I2C总线进行控制，通过车用IC的规范AEC-Q100 Grade 1认证，对抗恶劣环境的能力相当了得。想一想现在很流行的自动驾驶辅助系统（ADAS），你就知道摄像头在车上的使用会多么普遍地被使用了，但这样的应用又不能显得太突兀，因而提供给它们的空间都非常狭小，再加上车辆的使用环境通常都很恶劣，所以要求它可在-40℃~+125℃的环境温度下工作。下图是RT2070的应用电路图：

它的各通道之间的时序关系可有6种选择，通过SEQ端外接电阻的值就可指定一种上电过程中确定的时序，以后又可通过I2C总线进行新的设定。一个典型的时序关系是这样的： 

如果出现了意外故障，它还有特定的时序对系统进行保护，下图对此进行了示意：

预先定义好的时序在实际中呈现时，可在示波器上看到下图所示的实际波形： 

这样的过程的实现，是靠IC内部的大量逻辑判断完成的，下图就是器件逻辑部分的主体流程： 

实现保护的逻辑部分看起来会更复杂一点，如下图所示，是对上图的补充。