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電源跟蹤技術(shù)
引言---當(dāng)今的大多數(shù)電子產(chǎn)品（從手持式消費電子設(shè)備到龐大的電信系統(tǒng)）都需要使用多個電源電壓。電源電壓數(shù)目的增加帶來了一項設(shè)計難題，即需要對電源的相對上電和斷電特性進行控制，以消除數(shù)字系統(tǒng)遭受損壞或發(fā)生閉鎖的可能性。
---微處理器、FPGA和ASIC在上電和斷電期間通常要求內(nèi)核與I/O電壓之間具有某種特定的關(guān)系，而這種關(guān)系在實際操作中是很難控制的，尤其是當(dāng)電源的數(shù)目較多的時候。當(dāng)不同類型的電源（模塊、開關(guān)穩(wěn)壓器和負載點轉(zhuǎn)換器）混合使用時，該問題會進一步復(fù)雜化。最簡單的解決方案就是將電源按序排列，但是，在某些場合，這種做法是不足夠的。一種更受青睞而且往往是強制性的解決方案是使各個電源在上電和斷電期間彼此跟蹤。
電源排序
---簡單地按某種預(yù)先確定的順序來接通或關(guān)斷電源的做法一般被稱為“排序”。排序通常能夠通過采用電源監(jiān)控器或簡單的數(shù)字邏輯電路來控制電源的接通/關(guān)斷（或RUN/SS）引腳而得以實現(xiàn)。圖1a和1b示出了采用一個LTC2902四通道電源監(jiān)控器來對4個電源進行排序的情形。
---不幸的是，單靠排序有時是不夠的。許多數(shù)字IC都在其I/O和內(nèi)核電源之間規(guī)定了一個最大電壓差，一旦它被超過則IC將會受損。在這些場合，對應(yīng)的解決方案是使電源電壓彼此跟蹤。
電源跟蹤
---排序只是簡單地規(guī)定了電源斜坡上升或斜坡下降的順序，并且假定每個電源都在下一個電源開始變化之前轉(zhuǎn)換。電源跟蹤可確保電源之間的關(guān)系在整個上電和斷電過程中都是可以預(yù)測。
---圖2示出了三種不同的電源跟蹤形式。最常見是重合跟蹤（見圖2a），此時，各電壓在達到其調(diào)節(jié)值之前是相等的。當(dāng)采用偏移跟蹤時（見圖2b），各電壓以相同的速率斜坡上升，但被預(yù)先設(shè)定的電壓偏移或延時所分離。最后，當(dāng)采用比例制跟蹤時（見圖2c），各電壓同時開始斜坡上升，但速率不同。
---實際上，隨著設(shè)計精細等級的不斷提升，能夠使各電源相互跟蹤。三種最常見的方法是（1）在電源之間采用鉗位二極管；（2）布設(shè)與輸出端串聯(lián)的MOSFET；（3）利用反饋網(wǎng)絡(luò)來控制輸出。
---如欲將各電源之間的電壓差保持在一個或兩個二極管壓降之內(nèi)，則可在電源軌之間采用鉗位二極管或晶體管，這種解決方案雖然粗暴，但卻簡單（見圖3）。在低電流條件下，該技術(shù)會是有效的，然而在高電流水平時，采用這種方法的后果則可能是災(zāi)難性。同步開關(guān)電源能夠供應(yīng)和吸收大量的電流。如果電壓較高的電源斜坡上升速率高于電壓較低的電源，則二極管或FET將接通，以便對電壓較低的電源進行上拉操作。電壓較低的電源將因此而吸收較多的電流，從而會有巨大的電流流過。這有可能導(dǎo)致電源超過容許的電壓差，甚至引發(fā)器件故障。完全依靠二極管或FET鉗位來實現(xiàn)跟蹤功能并非最佳的解決方案。
---另一種跟蹤解決方案是在電源的輸出端與負載之間布設(shè)串聯(lián)MOSFET。在圖4中，一個LTC2921跟蹤三個電源。當(dāng)首次施加電源時，MOSFET被關(guān)斷且電源被允許以其自然速率斜坡上升。當(dāng)電壓穩(wěn)定下來之后，MOSFET被同時接通，使得負載上的電壓相互跟蹤。這種技術(shù)需要用于驅(qū)動MOSFET和監(jiān)視電源電壓的電路，而且，當(dāng)電流水平上升時，MOSFET中的壓降和功耗便成為了一個問題。此外，這種拓撲結(jié)構(gòu)還因為每個電源上的負載電容和負載電流可能有所不同的緣故，而使得電壓的同步斜坡下降比較難以實現(xiàn)。
---第三種方法是利用反饋網(wǎng)絡(luò)來調(diào)節(jié)輸出電壓，以此來使電源相互跟蹤。最簡單的實現(xiàn)方法是將電流注入電源的反饋節(jié)點。在圖5中，一個LTC2923跟蹤兩個電源。生成了一個主斜坡，而且電路被連接至其他從屬電源的誤差放大器反饋節(jié)點，從而使其輸出跟隨該主斜坡。該電路還使得電壓能夠一同斜坡下降。該技術(shù)是最精巧的，因為它不需要采用串聯(lián)MOSFET或鉗位二極管。然而，并不是所有的電源都具有可以使用的反饋節(jié)點，而且，雖然許多電源模塊都具有一個修整引腳，但是一般來說輸出電壓只能在一個很小的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。因此，大多數(shù)實際解決方案均要求采用了上述幾類技術(shù)的某種組合。
設(shè)計實例
---圖6中的電路在利用3.3V電源生成2.5V和1.8V電源的情況下實現(xiàn)了電源跟蹤。在本例中采用了LTC2923，3.3V電源受控于一個N溝道MOSFET，而2.5V和1.8VDC/DC轉(zhuǎn)換器則是通過其反饋節(jié)點得以控制的。
---當(dāng)3.3V輸入電源接通時，晶體管Q1和兩個DC/DC轉(zhuǎn)換器被保持在關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)3.3V輸入上升（利用電阻器RONA和RONB在ON引腳上進行檢測）之后，Q1的柵極由一個內(nèi)部充電泵緩慢地接通。由于Q1被配置為一個N溝道源極跟隨器，因此，RAMP引腳電平開始上升，并提供用于系統(tǒng)的主電壓斜坡。
---當(dāng)針對重合跟蹤來對TRACK1和TRACK2引腳上的電阻器進行配置時，電流被強迫流入或流出DC/DC轉(zhuǎn)換器反饋節(jié)點，這樣其輸出將跟蹤RAMP引腳電平的變化。圖2a中的示波器掃跡便是采用該電路生成的。
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--一旦達到最終電壓，LTC2923的FB1和FB2引腳將呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。如果ON引腳被一個漏極開路邏輯器件拉至低電平，則輸出將尾隨降至低電平。通過改變與TRACK1和TRACK2引腳相連的電阻器阻值，可使同一個電路進行比例制跟蹤或偏移跟蹤模式的斜坡上升。圖2b和2c中給出的示波器掃跡便是以這種方式生成的。另一種電阻器選擇能夠采用3.3V電源作為基準電壓斜坡來對1.8V和2.5V電源進行排序（見圖7）。對于需要三個以上電源的系統(tǒng)，可通過RAMP引腳對多個LTC2923控制器進行菊鏈式連接，以便控制數(shù)目不限的電源。
---當(dāng)不能使用DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊的反饋節(jié)點時，可采用串聯(lián)MOSFET來對電源進行跟蹤。圖8a中的電路采用LTC2922來跟蹤三個電源。圖8b示出了該電路的輸出。當(dāng)首次施加電源時，串聯(lián)MOSFET被關(guān)斷，且5V、3.3V和2.5V電源被允許上電。當(dāng)電壓穩(wěn)定后，MOSFET被接通，輸出電壓一起上電。當(dāng)輸出電壓達到其終值時，內(nèi)部開關(guān)從輸出端回接至模塊上的正檢測引腳。這將迫使模塊對MOSFET的負載側(cè)進行調(diào)節(jié)，以補償FET兩端的壓降。采用一個檢測電阻器來提供電路斷路器功能，以保護主電源免遭短路故障的損壞，而一個電源良好（PowerGood）引腳用于指示跟蹤已完成。
結(jié)論
---對于大多數(shù)多電源設(shè)計來說，相比簡單的電源排序，使各電源的電壓執(zhí)行同步上升和下降跟蹤是更加可取的解決方案。雖然從理論上講這樣做較為困難，但已經(jīng)有了專用器件，這些器件能夠極大地簡化跟蹤電路的設(shè)計——即使在采用了大量特性迥然不同的電源系統(tǒng)中也是如此。
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