如何实现电源启动和关闭的序列

微处理器，FPGA，DSP，模数转换器（ADC）和片上系统（SoC）器件通常从多个电压轨运行。为了防止锁定，总线争用问题和高浪涌电流，设计人员需要按特定顺序启动和关闭这些电源轨。这是一个称为电源序列控制或电源排序的过程，有许多解决方案可以有效地实现这一目标。

需要电压排序的复杂器件可能具有用于内核和模拟模块的电压轨。需要在数字I/O轨道之前上电。有些设计可能需要不同的序列，但无论如何，需要正确的上电和断电排序以避免问题。

出现的各种电源定序器，监视器和监控器可提供有效的斜坡up和shutdown也采用了监测电压和电流水平的技术来计算功率水平，以保护复杂的集成电路和子组件。

本文将解释电源排序的细节，讨论电源序列规范和技术，以及如何应用电源定序器来实现指定的电源轨定时和排序。

为什么担心电源排序？

FPGA和类似的复杂IC在内部分解为许多电源域。在启动或关闭设备时，大多数这些IC都需要特定的订单。例如，FPGA通常分别为核心逻辑，I/O和辅助电路供电。

核心通常包括FPGA的处理器和逻辑基础。该域的特征在于低电压和高电流功率分布。由于电压极低，因此具有非常高的精度要求，并且由于数字负载的动态特性，瞬态性能必须非常好。 I/O代表FPGA的各种输入和输出。电压要求取决于接口类型。通常，电压电平将大于核心的电压电平。电流需求取决于I/O的类型，数量和速度。

辅助电路包括FPGA中的噪声敏感模拟电路，如锁相环（PLL）和其他模拟电路元素。电流要求相当低，但纹波电压是一个主要问题，必须尽量减少。模拟部分中的纹波可能导致PLL中过多的抖动和相位噪声，以及放大器中的寄生响应。

以错误的顺序启动每个域的电源可能会导致问题，并可能导致损坏FPGA。考虑I/O部分基于在三态总线上发送和接收数据。 I/O控制由核心处理。如果I/O域在内核之前上电，则I/O引脚以不确定状态结束。如果外部总线组件通电，则可能存在总线争用，导致I/O驱动器中出现大电流。因此，核心应该在I/O域之前启动。请务必参考供应商的FPGA规范，了解推荐的电源应用和关断顺序，以及电源轨之间的最大差分电压。

同样，功率运算放大器等设备也有两种功率域：模拟域和数字域。数字域为放大器的诊断状态标志供电，用于过温和过流状态。数字域还支持放大器启用/关闭功能。器件规范要求在模拟电源之前对数字域进行上电，以便在模拟域上电之前这些状态标志有效。这是为了防止可能对设备造成损坏。

电源序列方法

有三种常见类型的多轨测序（图1）。最常见的是顺序，其中首先打开一个电源轨，然后在下一个电源轨打开之前延迟。设置延迟时，第一个轨道在第二个轨道启动前达到调节。

图1：三种电源排序技术。无论使用何种技术，电压必须单调上升。如果失败，由于启动期间电压意外下降，设备可能无法正确初始化。 （图像来源：Digi-Key Electronics）

第二种测序技术是比例式的。在这种技术中，导轨同时启动并同时达到其额定电压。这要求导轨的上升时间与导轨电压成正比，以便同时实现调节。

某些器件可能无法承受在达到调节之前发生的瞬时电压差。在此期间，它可能导致器件从一个电源吸收更高的电流。

第三种方法，即同时启动，最大限度地减小电压的瞬时差异。该技术减少了这些应力的规模和周期。实现这种方法的一种常用方法是同时上电，其中电压轨以相同的速率上升，较高的电压轨（通常是I/O电压轨）在较低或核心电压轨达到其最终电压轨之后继续

无论采用何种技术，电压都必须单调上升。如果失败，由于启动期间电压意外下降，设备可能无法正确初始化。

此外，可以应用软启动来限制启动期间的浪涌电流。这种做法限制了启动期间的电流，允许在启动时逐渐对电源轨的电容充电。

通常指定电源关闭以与启动相反的顺序发生。

选择使用的启动或关闭技术取决于设备的规格。

电源排序示例

同时启动相对容易设置。最高电压输出连接到较低电压调节器的输入（图2）。

图2：同时启动通过菊花链连接调节器实现5伏和3.3伏电源。 （图片来源：Digi-Key Electronics）

在此示例中，较高的电压是5伏电源。这也被送入3.3伏稳压器。显示5伏和3.3伏输出，它们同时上升，最小电压差达到3.3伏电源的调节点。

顺序技术最好使用定序器集成电路，如德州仪器的LM3880。 LM3880是一款简单的电源序列发生器，可以通过其使能输入控制多个独立的稳压器或电源。

LM3880在使能时会依次释放其三个输出标志，并在标志之间有单独的时间延迟。这将允许连接的电源启动。在关闭期间，输出标志将遵循相反的顺序。使用德州仪器（TI）的WEBENCH Power Designer软件（图3）显示了使用LM3880的设计实例。这个免费的软件工具可以帮助工程师设计与电源相关的电路，提供原理图，材料清单和模拟结果。该图显示了原理图和图表，使能和三个标志输出。

LM3880中的延迟时间和顺序顺序是固定的，但可以使用内置EPROM进行工厂定制。德州仪器（TI）还在LM3881定序器中提供电容可编程延迟。

图3：用于LM3880设计原理图和图表的德州仪器（TI）WEBENCH Power Designer显示器用于控制外部稳压器或电源的使能输入和输出标志。 （图像来源：Digi-Key Electronics）

ADI公司的LTC2937定序器/电压监控器是一种稍微复杂的电源控制器件。与LM3880一样，LTC2937可以控制多达六个电源或稳压器的时序和时间延迟（图4）。

图4： LTC2937可以控制多达六个电源的序列，同时还可以监控电源轨电压。可以通过单根线同步多个设备，以控制多达300个电源。 （图像来源：ADI公司）

除了对多达六个电源轨进行排序外，它还可监控这些电源轨上的电压，以检测过压，欠压，断电和失速的电源启动。如果发生故障，可以对器件进行编程以关闭或重启电源。错误条件记录到内部EEPROM。 LTC2937可通过I 2 C或SMBus进行编程和控制。 ADI公司的LTpowerPlay GUI软件支持编程。 EEPROM允许无需软件即可自主运行。当系统需要六个以上的电源轨时，可以将多个LTC2937链接在一起以控制多达300个电源。

对于复杂的多核处理器，FPGA和其他SOC器件，德州仪器提供TPS650860可配置多个 - 电源管理单元。这款单芯片输入电压范围为5.6至21伏，包含三个降压控制器，三个降压转换器，一个吸收或源低压差（LDO）线性稳压器，三个低压输入LDO，稳压器和三个负载开关（图5）。

图5：德州仪器（TI）TPS650860的功能框图显示了13个稳压输出，可完全控制其排序。 （图像来源：德州仪器）

该器件具有13个稳压输出，可满足FPGA或其他负载设备的需求。

降压转换器包括内置功率级，降压控制器需要外部功率级。转换器和控制器都集成了电压检测输入，用于监控电源输出，可以控制排序。负载开关包括转换速率控制，允许编程与这些开关相关的轨道，用于三种顺序类型中的任何一种，顺序，比例或同时。

TPS650860通过I 2控制 C接口允许通过嵌入式控制器或相关的SoC管理器进行简单控制。该电源管理IC具有领先的控制灵活性。

结论

有多种方法可以控制电源启动或关闭的顺序，从非常简单到非常复杂。它们的轨道数量，精度和控制功能范围以及成本都有所不同。