为什么需要电源排序

解决系统设计人员的上电排序需求

在数字MOS半导体器件的系统电源启动和关闭期间，防止意外施加电源会导致电源尖峰、总线争用甚至破坏性闩锁情况非常重要。按预定顺序使用受控电源应用是控制电源行为并防止这些意外行为的一种方法。

两个或多个内部电压域之间的逻辑互连

当MOS半导体器件的输入电压在MOS器件的电源之前上升时，电路有可能表现出不良行为。这种行为通常与数字设备有关，因为模拟设备在启动或以不受控制的方式关闭时不太容易受到影响。图 1 显示了可能发生此类问题的示例情况;请注意，两个电压域可以跨越单独的器件，也可以跨越单片器件（如FPGA），其中逻辑信号必须在两个或多个内部电压域之间交叉。

图1 –域之间的逻辑互连

防止不受约束的启动序列

当器件处于掉电状态时，所有节点均处于0V，并且没有电源，这意味着电路中没有电流流动。这是启动时的初始条件，如果没有对启动序列施加约束，则每个域的电压将在上电时上升，这是每个电压调节电路、稳压器看到的负载、系统滤波和旁路电容以及其他设计特定考虑因素的函数，因此对电压上升的速度和两个电压之间的距离没有限制。这一点很重要，因为保持电源低于二极管压降（标称条件下为<0.7，<温度范围内为0.3V）是我们在许多情况下希望在启动和工作期间防止的条件之一。稳压器的规格无法准确预测电压上升时间，因为系统中的负载将与数据手册中测试条件假设的负载不同。

图2显示了一个示例，说明当输出电源在MOS数字输入之前启动时，输出想要上拉至“H”电压，而输入侧的电源仍为0V。发生这种情况时，MOS输入晶体管的状态是不确定的，因此可能发生各种各样的事情，包括一种称为“闩锁”的现象。

图2 –不受约束的启动顺序

 

逻辑门原理图及其匹配布局

当施加的电压导致双极结型晶体管（BJT）意外导通，通过低阻抗连接将电源接地或其他一些较低电位时，就会发生闩锁。当BJT由于意外的电压条件而正向偏置时，BJT可以是有意的（设计的一部分），但在单片MOS IC中，它通常是由存在的固有寄生PN结形成的无意的。当两个这样的寄生PN结形成PNPN器件（如可控硅整流器（SCR）或晶闸管）时，它们可能会闩锁并导致非常高的电流，从而导致IC局部发热，从而导致永久性损坏。典型逻辑门原理图及其匹配布局示例，以虚线形式显示产生的寄生电路。

图3 –逻辑门原理图和布局示例

当以正确的顺序施加电源时，除非触发，否则这些寄生电路是良性的。当触发源由天然来源提供时，例如电离辐射，可以触发闩锁，但在大多数地面使用案例中，这种情况极为罕见;空间应用就是这样一个例子，其中确实需要抗辐射设计。在典型使用中，需要过压或电流注入源来触发SCR，因此需要控制良好的启动序列，以防止在启动期间提供触发源。一旦触发闩锁，停止闩锁的唯一方法是移除施加的电压并中断电流。

上电时可能发生损坏情况的另一种方式是，当输入是单独IC的一部分时，ESD保护器件是设计的一部分。它们通常具有最大输入电压额定值，这指定输入端的最大电压只能超过电源电压，例如0.3V。这是为了防止输入电压超过ESD器件的导通电压。当ESD器件正向偏置时，大电流从引脚流向器件的电源连接，并可能损坏器件。

这些只是启动序列不受控制时可能发生的最具破坏性的例子;在其他情况下，物理损坏不是问题。总线争用、毛刺、压降和其他类型的损害较小，但当电源循环期间发生电压电位差时，可能会出现恼人的行为。

许多信息来源表明，正确的启动顺序是内核逻辑电压首先出现，然后是输入/输出电压和外围器件。以这种方式从内到外开始只是一个经验法则;然而，例如，ESD网络在产品中的连接方式可能意味着标准的经验法则假设是不合适的。应检查每个产品的文档，了解建议的启动顺序是什么，然后检查将所有这些要求融合在一起的整个系统启动顺序。应该注意的是，在某些情况下，在启动时，系统旁路和滤波电容器中存储了剩余功率，这可能会使启动复杂化。当电源短暂中断（称为掉电）时，可能会发生这种情况，然后在系统电源完全放电之前重新接通电源。它也可能发生在系统中，无论出于何种原因，系统在供电时未完全放电。这是需要关断排序的地方，以确保有序关断不会造成损坏，并确保系统处于安全启动状态。关断顺序的详细处理超出了本博客文章的范围，但一般来说，关闭的正确顺序是反转启动序列的顺序。

仅使用分立式电源管理器件可能难以实现电源排序;它们通常不具备支持跨多个电源轨协调的复杂电源排序的功能集。设计这样的解决方案需要大量的工程工作，通常需要额外的组件，并且如果存在任何在预生产测试中未发现的设计敏感性，则可能会在生产中涉及一些风险。

集成电源管理 （PMIC），内置电源排序支持

另一种方法是使用集成度更高的PMIC，该PMIC内置了对电源排序的支持，以及在这些情况下可能有用的其他功能。请注意，并非所有PMIC都具有这些功能，并且由于没有一种放之四海而皆准的电源排序方法，因此当它们具有这些功能时，它们可能并不完全适合给定设计，但是当它们具有时，它们为使用少数分立器件提供了有效的解决方案。

我们的 PMIC（电源管理 IC）如 MCP16501 和 MCP16502 在设计时考虑了启动和关断电源排序，并具有支持 SAMA5DX/SAM9X60/SAM7G 系统所需功能的特性。MIC7400 和 MIC7401 也是标准产品 PMIC，提供电源排序功能，有助于解决系统设计人员的电源排序需求。

审核编辑：郭婷