FPGA等高性能IC可轻松拥有6个或更多不同的直流电源轨，以支持器件内核，RAM，内部缓冲器和外部I / O，如I 2 C，SPI，LVDS和其他端口。这些轨道可以具有不同但间隔很小的标称值，例如1.2V，1.5V和1.7V，或者这些轨道中的一些可以具有相同的标称值但是具有不同的公差或物理位置。类似地，高度集成的专用IC（例如Wi-Fi网络节点）可具有多个轨道以支持内部功能以及行业标准所需的接口电压。或者它可能具有用于天线驱动器及其功率放大器的双极电源。 电源轨数不会以单个IC结束。这种轨道的数量通常会随整个系统而进一步增加，整个系统可能包含电机驱动器，功率MOSFET / IGBT或特殊通信接口，如以太网甚至传统的RS-232/422端口。因此，无论物理尺寸如何，整个系统可能具有十个或更多轨道，这些轨道由独立的DC调节器（也称为电源转换器）提供。 设计师的问题设计人员的问题在于，当施加主电源时 - 无论是通过分立的通断开关还是通过等效的软开关 - 这些轨道必须经常以精心编排的顺序提升到它们的最终值（并且还存在类似的问题）断电序列也是如此）; 参见图1。如果排序和相对时序不正确或具有不正确的斜升或斜坡下降速率，则可能会对电路造成永久性损坏。
图1：多轨系统中的电源排序规定，某些轨道只有在其他轨道完全打开或其他轨道处于最终值之后才能打开。关闭要求也是可能的，如Altera Enpirion ES1021QI中的测序所示（来源：Altera Corp.） 即使没有永久性损坏，操作故障也可能导致不正确排序的不可接受的后果：考虑在电机控制软件初始化之前打开电机功率MOSFET并准备控制这些MOSFET的效果。这些问题也不一定与正式的加电事件有关; 相反，它们可能是由于在“热插拔”设计中插入电路卡。 为了解决这些问题，我们提供专用的电源管理IC（PMIC）来实现电源排序和定时。全功能PMIC允许设计工程师： - 建立跨多个轨道相互连接的开启/关闭顺序;
- 如果需要，控制每个轨道的上升/下降速率;
- 如果任何单轨发生故障，请管理各种轨道。
通常，轨道之间的定时由轨道电压而不是绝对时间延迟确定，并且连续轨道“开启”之间的时间段大约为毫秒。相互关系指南的范围很简单，例如“仅当供电A导通时开启供电B导轨”，更复杂，例如“仅当A和B导轨都处于最终电压时才开启供电C导轨”。（注意，“on”由应用要求定义，通常是最终轨道电压的90％，但在关键应用中，它可能需要达到最终电压的1％以内。） 尽管在大多数设计中，电压是关键的，而不是时间本身，但有些设计将时序替换为标准。如果设计人员知道特定电压轨需要一个明确的时间来达到所需的值，那么这是可能的，并且定时比电压更容易准确地测量。在这些情况下，诸如“一旦电源B接通后接通电源A轨”的规则被转换为“在A轨开启后50毫秒转动B轨”。然而，必须谨慎使用这种方法，因为没有证据表明供应A的轨道实际上达到了预期的价值，而不是“此时它应该是正常的”。 基于正状态/反馈的功率轨测序有趣的是，有些应用的定时周期远远超过毫秒范围。在这些情况下，在另一个导轨通电之前必须经过几秒钟（或更长时间）。一个例子是在系统的其余部分运行之前，诸如加热器之类的功能必须首先达到全温。另一个例子是系统处理器必须在接通高压或高功率子系统的电源之前运行校准程序，但如果在核心传感器的读数被验证之前接通高电压，则可能导致电气或物理损坏。 一些PMIC集成了DC / DC稳压器（LDO和开关）以及必要的排序，并针对目标应用进行了优化，如笔记本电脑（CPU，内存，显示器，I / O和其他标准功能）。虽然这些显然非常适合于预期的应用，并且应该在这种情况下加以考虑，但它们也固有地限制了设计人员选择电压轨和其他应用类型的整体灵活性。 对电源进行排序的要求并不新鲜。例如，对于真空管 - 现在很大程度上被IC淘汰，除了X光机或无线电/ 电视广播等专业应用发射器 - 这是一个常见的要求：在管板可以通过其“B +”电压激励之前，灯丝可能必须打开并处于最终工作温度。对于传奇的消费者五管AM收音机，这个时间延迟范围从零到千瓦范围广播发射机中使用的管的许多分钟。该序列有时由系统操作员通过开/关开关手动实现; 在其他情况下，使用带有内置定时器的特殊机电继电器。当然，手动或基于继电器的解决方案对于适合放在口袋或公文包中的基于FPGA的产品来说都不实用。 启动物理层在关于电源排序的任何讨论中，很容易参与管理许多电源及其轨道的策略，提供物理层控制的基本问题被推到一边。重要的是要记住，有两个问题需要解决：来自定序器的控制信号，以及每个DC调节器（V REG）的相应控制输入。 对于第一个因素，所选择的定序器当然必须具有足够的控制输出，或者在需要时有一些扩展数量的规定。在大多数情况下，这些端口是简单的单GPIO（通用I / O）端口。 对于第二个因素，DC稳压器必须具有单引脚使能输入，或者用户必须在稳压器输出和它驱动的物理电源轨之间添加电子开关（通常是MOSFET），然后控制该开关; 参见图2。在大多数情况下，最好选择具有简单逻辑电平使能控制的直流稳压器（如果可用），或选择能够在没有单独MOSFET驱动器的情况下直接驱动具有合适电流/电压额定值的轨MOSFET的PMIC。 不同的解决方案，广泛的灵活性排序通常被认为是PMIC功能，但这是一个令人困惑的领域。一些PMIC专注于排序，而其他PMIC则添加其他功能，例如过流或过压保护。虽然这些改进可能看起来有价值，但它们提供的保护可能与电源监管机构本身的类似功能重叠甚至发生直接冲突。其他PMIC几乎没有提供顺序，而是专注于监控和报告轨道及其状态。因此，找到合适的测序解决方案需要查看PMIC以及非PMIC解决方案。
图2： PMIC输出直接控制V REG，或者可以驱动外部MOSFET，作为VREG输出和轨道之间的开关; 在这里，源极Vx和轨道VxOUT之间的顶部有4个这样的MOSFET，其中x是1,2,3或4.（来源：Altera数据表）。 在最简单的顺序排序的情况下，每个导轨在一系列中打开，因为另一个导轨变得“良好”，解决方案通常很简单。如果每个在前轨道的调节器具有“电源良好”（PG）输出，并且下一个调节器具有“使能”（EN）控制输入，则PG指示器连接到EN输入。当第一个调节器发出PG信号时，它会自动打开下一个调节器，依此类推。参见图3。
图3：在某些情况下，一种简单但足够的排序方法是让一个调节器的PG输出成为下一个调节器的EN输入; 这里，2个有序ti TPS62085降压稳压器提供直流电压轨V OUT1和V OUT2（来源：德州仪器数据表）。 这种方法适用于一系列的任何数量的直流调节器，但这种优点也是它的限制：它们必须具有顺序模式（尽管一个PG可以连接到多个EN），并且几乎没有灵活性。此外，这种方法无法控制一个电源在开启之前必须等待指定间隔的时序，并且它无法解决关断排序问题，这可能与开启顺序一样重要。 为了克服其中一些问题，可以使用带定时器控制的复位IC 进行上电排序。古老且通用的555定时器IC（或更新的变体）可用于通过在第一轨道达到标称窗口值之后或在轨道关闭之后调用时间段来控制排序。通过使用555的电阻器在硬件中设置时间段，因此它是通过设计和BOM建立的，而不是固件; 参见图4。虽然这似乎不是一种优雅的方法，但它是一种有效的方法，当排序问题在设计完成并且正在评估原型板之后变得可见时尤其有用。
图4：某些设计中的另一个简单解决方案是使用简单的555型IC作为基本定时器，以提供由电阻值确定的延迟。 对于有需要更多的灵活性，如一个PMIC多个导轨系统MAX16029从美信集成可用于四个通道，与所述时间延迟期间用户编程的通过电容器，从而避免存储器波动或启动问题; 参见图5。四个通道中的每一个都独立于其他通道，每个通道输出可用于开漏配置，支持高达28V的轨电压，是高范围DC稳压器所需的。具有此功能的其他PMIC通过PMBus接口而不是电容器或电阻器设置其时序，因此可以菊花链式连接以处理四个以上的电源轨。
图5：该MAX16029 PMIC从美信集成用电容4个独立通道的时间延迟进行编程，并支持DC导轨高达28V（源：美信集成数据表）。 固件，软件提供更高端的解决方案对于具有许多轨道的应用，复杂的排序要求以及需要更全面地管理开启和关闭顺序，以前的方法可能不足或需要许多附加组件。有两种方法可以解决这个排序挑战，它们都提供了所需的功能。一种是基于用户编程的微控制器; 另一种是使用专为测序而设计的完全可编程IC。 例如，使用Microchip TechnologyPIC16F1XXX系列成员的电源序列发生器可以处理四个，八个或更多电源; 参见图6。嵌入式固件是用户编程的，用于所需的排序属性，以及电源良好标准，加速时间和减速时间，以及在电源超出范围或出现故障时实施各种报警模式。基于PIC的方法有一个10位ADC，但每个轨道数字化16次，然后平均结果，产生相当于4位的转换。选择PIC16F1XXX系列，用于使能稳压器或驱动轨道MOSFET的GPIO引脚数量可以达到数十个，因此几乎可以处理任何情况。
图6：使用基于Microchip技术的电源序列发生器PIC16F1XXX系列提供了跨多个电压轨的排序和时序灵活性，以及内部ADC测量的详细性能标准（来源：Microchip Technology数据表）。 对于一个特定的测序设备，UCD90120A从德州仪器（TI）提供了另一种完全可编程的方法; 参见图7。这个12轨电源定序器和监视器由PMBus / I 2 C接口寻址，还包括26个GPIO引脚，可用于其他与电源相关的功能，例如为系统产生电源使能，复位和报警中断处理器。当与合适的图形用户界面（GUI）结合使用时，它可用于建立复杂的上电/断电序列和时序，并在发生电压不足时提供系统故障分析的见解; 参见图8。
图7：德州仪器（TI）的UCD90120A设计用于对多达12个电源轨进行排序和监控，并通过其PMBus / I2C接口进行用户编程。额外的GPIO引脚可实现额外的电源相关传感和控制选项（来源：TI数据表。）
图8：将灵活的PMIC（如UCD90120A）与GUI相结合，可生成一个功能强大的工具，用于建立多个复杂的排序方案，并观察每个轨的性能及其时序关系（来源：TI应用笔记）。 摘要电源及其导轨可能没有魅力或得到处理器的关注。然而，从手持式智能手机和仪器仪表到服务器群和数据中心，它们在高性能，高性能设计中成功，可靠的设计越来越重要。管理不同的电源轨并非易事，但可以使用许多电源排序和PMIC选项，以满足项目要求的功能。这些解决方案的范围从简单的级联顺序使能到具有高级功能的复杂的完全可编程IC，能够建立和更改许多关键参数的值。
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