電源跟蹤技術

引言

---當今的大多數電子產品（從手持式消費電子設備到龐大的電信系統）都需要使用多個電源電壓。電源電壓數目的增加帶來了一項設計難題，即需要對電源的相對上電和斷電特性進行控制，以消除數字系統遭受損壞或發生閉鎖的可能性。

---微處理器、FPGA和ASIC在上電和斷電期間通常要求內核與I/O電壓之間具有某種特定的關系，而這種關系在實際操作中是很難控制的，尤其是當電源的數目較多的時候。當不同類型的電源（模塊、開關穩壓器和負載點轉換器）混合使用時，該問題會進一步復雜化。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

---簡單地按某種預先確定的順序來接通或關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控器或簡單的數字邏輯電路來控制電源的接通/關斷（或RUN/SS）引腳而得以實現。圖1a和1b示出了采用一個LTC2902四通道電源監控器來對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。許多數字IC都在其I/O和內核電源之間規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換。電源跟蹤可確保電源之間的關系在整個上電和斷電過程中都是可以預測。

---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，各電壓在達到其調節值之前是相等的。當采用偏移跟蹤時（見圖2b），各電壓以相同的速率斜坡上升，但被預先設定的電壓偏移或延時所分離。最后，當采用比例制跟蹤時（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）布設與輸出端串聯的MOSFET；（3）利用反饋網絡來控制輸出。

---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，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難性。同步開關電源能夠供應和吸收大量的電流。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。這有可能導致電源超過容許的電壓差，甚至引發器件故障。完全依靠二極管或FET鉗位來實現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串聯MOSFET。在圖4中，一個LTC2921跟蹤三個電源。當首次施加電源時，MOSFET被關斷且電源被允許以其自然速率斜坡上升。當電壓穩定下來之后，MOSFET被同時接通，使得負載上的電壓相互跟蹤。這種技術需要用于驅動MOSFET和監視電源電壓的電路，而且，當電流水平上升時，MOSFET中的壓降和功耗便成為了一個問題。此外，這種拓撲結構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。

---第三種方法是利用反饋網絡來調節輸出電壓，以此來使電源相互跟蹤。最簡單的實現方法是將電流注入電源的反饋節點。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。該技術是最精巧的，因為它不需要采用串聯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調節。因此，大多數實際解決方案均要求采用了上述幾類技術的某種組合。

設計實例

---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1.8V DC/DC轉換器則是通過其反饋節點得以控制的。

---當3.3V輸入電源接通時，晶體管Q1和兩個DC/DC轉換器被保持在關斷狀態。當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，并提供用于系統的主電壓斜坡。

---當針對重合跟蹤來對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轉換器反饋節點，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。

--一旦達到最終電壓，LTC2923的FB1和FB2引腳將呈高阻抗狀態。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，可通過RAMP引腳對多個LTC2923控制器進行菊鏈式連接，以便控制數目不限的電源。

---當不能使用DC/DC轉換器模塊的反饋節點時，可采用串聯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。當首次施加電源時，串聯MOSFET被關斷，且5V、3.3V和2.5V電源被允許上電。當電壓穩定后，MOSFET被接通，輸出電壓一起上電。當輸出電壓達到其終值時，內部開關從輸出端回接至模塊上的正檢測引腳。這將迫使模塊對MOSFET的負載側進行調節，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（Power Good）引腳用于指示跟蹤已完成。

結論

---對于大多數多電源設計來說，相比簡單的電源排序，使各電源的電壓執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，但已經有了專用器件，這些器件能夠極大地簡化跟蹤電路的設計 —— 即使在采用了大量特性迥然不同的電源系統中也是如此。