摘要：該應(yīng)用筆記討論上電和掉電過程中跟蹤電源電壓所采用的不同技術(shù)和架構(gòu)。例舉了低成本解決方案以及功能更全面、集成EEPROM的可編程解決方案。

對于大功率、多電壓系統(tǒng)，在上電和掉電過程中對電源電壓進(jìn)行跟蹤是非常必要的。這樣可避免出現(xiàn)導(dǎo)致直接損害的閉鎖條件，或消除在應(yīng)用中產(chǎn)生故障的潛在損害。

在一般應(yīng)用中，可采用簡單的分立二極管實(shí)現(xiàn)必要的電壓跟蹤；但對于具有兩個(gè)及兩個(gè)以上電源電壓的復(fù)雜系統(tǒng)，二極管方案將不再適用。隨著最先進(jìn)的ASIC對電流要求不斷增大，系統(tǒng)中需要更大尺寸的外部二極管來應(yīng)對功耗問題；且對于低成本二極管來說，就意味著具有更高的正向電壓和更大的功耗。

還有另一種簡單易用的電壓跟蹤方案，即采用上電過程中各電壓輸出具有跟蹤功能的調(diào)節(jié)器。這樣的調(diào)節(jié)器適用于上電過程，但系統(tǒng)常常還需要在系統(tǒng)關(guān)斷時(shí)對下降的電源電壓進(jìn)行跟蹤。關(guān)斷過程中的另一個(gè)重要考慮因素是需要對大電容進(jìn)行放電，以便阻止電流不慎流過重要的IC。所以說，在上電和掉電過程中都能夠控制電壓是很重要的。

因此，電源電壓跟蹤不僅在開啟過程中需要，而且還需要決定以多快的速度開啟電源，以及監(jiān)測到故障情況時(shí)如何控制電源電壓。

簡單的低成本方案

也許最簡單的電壓跟蹤方法是同時(shí)打開兩個(gè)外部導(dǎo)通元件(圖1)。下面的應(yīng)用電路監(jiān)視兩路電壓，并且在開啟時(shí)啟動(dòng)電荷泵以便完全導(dǎo)通(開啟)兩個(gè)外部n溝道MOSFET。如果輸出開始于一個(gè)非供電狀態(tài)，兩路電壓在柵-源驅(qū)動(dòng)電壓下幾乎同時(shí)開啟。兩個(gè)外部MOSFET之間的參數(shù)差異可能導(dǎo)致兩路電壓之間存在微小的電壓差，但封裝在一起的雙路n溝道MOSFET的性能差異非常小。


圖1. 該開環(huán)電壓跟蹤器采用單個(gè)電荷泵來同時(shí)開啟兩路電源電壓。

該電路提供了一個(gè)成本相對較低的“偽”開環(huán)電壓跟蹤器，適用于多種應(yīng)用場合。當(dāng)前的一些IC具有電源監(jiān)視功能，并內(nèi)置電荷泵以用于實(shí)現(xiàn)跟蹤功能。例如， MAX6819/MAX6820電源排序器可監(jiān)視一路電源電壓，并且當(dāng)電壓處于規(guī)范指標(biāo)內(nèi)時(shí)，該器件啟動(dòng)電荷泵電路來開啟外部n溝道MOSFET。

圖2中的示波器測試波形演示了MAX6819通過兩個(gè)外部n溝道MOSFET (IRF7380)來控制上升的電源電源VCC1和VCC2。(對應(yīng)圖1中所示開環(huán)配置中的右上角)。電源電壓彼此跟蹤，誤差在200mV以內(nèi)，該誤差主要由MOSFET的柵-源導(dǎo)通門限決定，但能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用場合的要求。


圖2. 開環(huán)跟蹤結(jié)構(gòu)(圖1所示)中由系統(tǒng)管理器件MAX6819控制的輸出電壓示波器測試波形。

設(shè)計(jì)中面臨的問題包括：MOSFET尺寸(以支持最大電流)、漏-源阻抗(決定流過MOSFET的功率損耗)和柵極電荷(決定電壓斜坡擺率)。該電路提供5.5V柵-源驅(qū)動(dòng)電壓，允許在大電流應(yīng)用中使用由邏輯電平驅(qū)動(dòng)的MOSFET。為了控制浪涌電流和上升速率，可在柵極和地之間增加一個(gè)小電容，以便減緩電壓上升斜坡。上電過程中，進(jìn)行電壓跟蹤直到電壓達(dá)到其標(biāo)稱值。更高的電壓將繼續(xù)增加到其穩(wěn)態(tài)值。

掉電過程中進(jìn)行電壓跟蹤更加困難，因?yàn)楦鬏敵鲭妷褐g的電壓差可能導(dǎo)致一個(gè)MOSFET比另一個(gè)MOSFET稍微早些開始關(guān)斷。電源線上的不同容性負(fù)載和輸出負(fù)載也可能影響兩路電源電壓的斜坡下降速率。為了保證在關(guān)斷期間跟蹤每一路電源，可通過在兩條電源線之間連接一個(gè)二極管的方法將兩路電源鉗位在一起。二極管的陽極連接至電壓較低的電源上，確保二極管在正常工作狀態(tài)下不導(dǎo)通。這種低成本的“偽跟蹤器”易于實(shí)現(xiàn)，但其開路結(jié)構(gòu)不能確保全面的調(diào)節(jié)功能。

旁路電壓跟蹤器

上面的方法采用外部n溝道MOSFET作為導(dǎo)通元件。盡管多數(shù)n溝道MOSFET完全導(dǎo)通時(shí)可提供較低的漏-源阻抗，但是其大電流時(shí)的電壓降仍會(huì)產(chǎn)生功率損耗，并降低負(fù)載上的輸出電壓。假如：圖1中的VCC2為1.2V核電源，并且極限工作條件下期望的輸出電流為20A，因此5mΩ MOSFET上的壓降為100mV。這會(huì)導(dǎo)致核電源產(chǎn)生8.125%的壓降，如果對此電壓進(jìn)行監(jiān)視，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)復(fù)位。如果成本可以接受，可通過選擇漏-源阻抗較低的MOSFET或者并聯(lián)多個(gè)MOSFET的方法來降低導(dǎo)通元件上的損耗。

降低開關(guān)導(dǎo)通損耗的一種方法是：選擇省掉串聯(lián)導(dǎo)通元件的電壓跟蹤器結(jié)構(gòu)。控制器電路具有旁路性能，可在各輸出電壓上升時(shí)將其短接在一起，以確保兩個(gè)電源電壓之間實(shí)際壓差為零。在最小的電源電壓達(dá)到其最終門限后，旁路關(guān)斷，以移除臨時(shí)短路通道，并允許較大的電源電壓上升到其最終門限。不采用串聯(lián)MOSFET，允許電路滿負(fù)載工作，且無串聯(lián)損耗。另外，用作旁路的n溝道MOSFET可以選用適中的尺寸，因?yàn)樯想娖陂g要求的電源功率(通常)要顯著地低于正常工作期間的電源功率。

該結(jié)構(gòu)還可跟蹤掉電期間的下降電壓(圖3)。在包括多于兩路電源的系統(tǒng)中可采用多路電源跟蹤控制器。不管采用何種類型的DC-DC調(diào)節(jié)器、輸出電容的容量大小(除了對斜坡速率會(huì)產(chǎn)生影響)以及首先開啟哪路電源等情況，該結(jié)構(gòu)均能很好地工作。


圖3. MAX5039電壓跟蹤控制器的旁路電壓跟蹤結(jié)構(gòu)可降低功耗。

MAX5039電源跟蹤控制器的關(guān)鍵特性是具有反饋輸入CORE_FB。通過一個(gè)簡單的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)，該器件可在上電期間跟蹤電源，當(dāng)I/O電壓超過核電壓時(shí)關(guān)斷MOSFET，并且當(dāng)I/O電源跌落至低于核電源電壓時(shí)重新打開MOSFET。因此，該器件可在掉電和故障情況下提供電源跟蹤功能。該器件還包括故障檢測輸入，該引腳通過將柵極鎖定連接至VCC來將各電源接在一起。通過兩個(gè)MAX5039配合工作，可跟蹤三路電源(圖4)。


圖4. 多電壓系統(tǒng)需要多個(gè)跟蹤控制器。

可編程的電壓跟蹤器

除了跟蹤電源外，當(dāng)今復(fù)雜的系統(tǒng)通常還要求更多功能。這些功能包括：電壓監(jiān)視、電壓排序和電壓跟蹤(組合工作)以及電流監(jiān)視功能。隨著系統(tǒng)中電源的數(shù)量不斷增加，由于通常要用到多個(gè)器件，因此合適的解決方案變得越來越困難。另外，這些要求還可能會(huì)在原型開發(fā)過程期間發(fā)生變化，進(jìn)而迫切希望在系統(tǒng)的不同開發(fā)階段能夠調(diào)整特定的參數(shù)。因此，新一代的電源系統(tǒng)管理器件將大多數(shù)功能集成到單個(gè)器件中，以便降低元件數(shù)量，提供更大的靈活性，并提高可靠性。例如，MAX6876電源系統(tǒng)管理器件可對多路電源進(jìn)行跟蹤或排序(圖5)。該器件是EEPROM可編程的四路電源跟蹤器/排序器，可調(diào)節(jié)包括監(jiān)視門限、故障時(shí)序要求、擺率和過流門限在內(nèi)的多種參數(shù)。


圖5. 可編程的四路電壓跟蹤器(MAX6876)

電源上電時(shí)，所有外部n溝道MOSFET均關(guān)斷，直到所有電源達(dá)到其規(guī)定的電壓，這些電壓門限由內(nèi)部EEPROM通過I2C接口來設(shè)置。為確保所有需要的電壓在任何時(shí)候都可用，會(huì)在上電過程、正常的系統(tǒng)工作期間和掉電或故障情況下監(jiān)視每一路電壓。如果少了其中任何一路電源，器件將觸發(fā)復(fù)位信號(hào)并跟蹤掉電過程。

所有被監(jiān)視的電源超出其門限時(shí)開始上電。為導(dǎo)通外部MOSFET，每個(gè)柵極電壓開始同時(shí)升高(斜坡上升)。系統(tǒng)監(jiān)視每個(gè)MOSFET的源極電壓，并與加到負(fù)載上的其它電壓進(jìn)行比較。如果任何兩個(gè)電壓之間的差值超過150mV，則電壓較高的那個(gè)MOSFET的柵極降低其電壓上升速率，以便其它較低的電源電壓能夠“跟上”。如果其它電壓不能跟上，則中止上電過程。內(nèi)部EEPROM通過選擇自動(dòng)重試選項(xiàng)來重新啟動(dòng)上電過程，并可調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動(dòng)擺率。

如果初始化過程中未出現(xiàn)錯(cuò)誤，所有電壓一起被跟蹤，直到最小的電壓加到負(fù)載上。當(dāng)達(dá)到該最小電壓時(shí)，系統(tǒng)允許每個(gè)柵極上的電壓斜坡上升直到下一個(gè)較大的電源電壓完成上電。該過程將繼續(xù)下去，直到所有電源上電完畢。四個(gè)獨(dú)立的內(nèi)置電荷泵提供比輸入電壓高5.5V的驅(qū)動(dòng)電壓，以確保每個(gè)MOSFET具有5.5V的柵-源驅(qū)動(dòng)電壓。這樣可使漏-源阻抗降至最小。使用邏輯電平FET可進(jìn)一步降低損耗。

為防止故障條件或系統(tǒng)關(guān)斷期間出現(xiàn)問題，所有電源在掉電時(shí)相互跟蹤。MAX6876監(jiān)視流過MOSFET的額外電流，并且可同步四個(gè)MAX6876來跟蹤16路電源。

結(jié)語

從在電源之間連接二極管的簡單方法，到使用外部電路或控制調(diào)節(jié)器反饋回路的復(fù)雜方案，實(shí)現(xiàn)上電和掉電過程中的電壓跟蹤方法多種多樣。這些技術(shù)提供開環(huán)或閉環(huán)配置，視所要求的可靠性和實(shí)現(xiàn)功能的相關(guān)成本而定。由于系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，核電源電壓不斷降低，并且功耗不斷增加，所以電壓跟蹤變得越來越重要。

相似文章刊登于2006年5月1日發(fā)行的Planet Analog上。