应用笔记 3811

满足电源跟踪要求的简单器件

By: Joe Chong

摘要 : 该应用笔记讨论上电和掉电过程中跟踪电源电压所采用的不同技术和架构。例举了低成本解决方案以及功能更全面、集成EEPROM的可编程解决方案。

对于大功率、多电压系统,在上电和掉电过程中对电源电压进行跟踪是非常必要的。这样可避免出现导致直接损害的闭锁条件,或消除在应用中产生故障的潜在损害。

在一般应用中,可采用简单的分立二极管实现必要的电压跟踪;但对于具有两个及两个以上电源电压的复杂系统,二极管方案将不再适用。随着最先进的ASIC对电流要求不断增大,系统中需要更大尺寸的外部二极管来应对功耗问题;且对于低成本二极管来说,就意味着具有更高的正向电压和更大的功耗。

还有另一种简单易用的电压跟踪方案,即采用上电过程中各电压输出具有跟踪功能的调节器。这样的调节器适用于上电过程,但系统常常还需要在系统关断时对下降的电源电压进行跟踪。关断过程中的另一个重要考虑因素是需要对大电容进行放电,以便阻止电流不慎流过重要的IC。所以说,在上电和掉电过程中都能够控制电压是很重要的。

因此,电源电压跟踪不仅在开启过程中需要,而且还需要决定以多快的速度开启电源,以及监测到故障情况时如何控制电源电压。

简单的低成本方案

也许最简单的电压跟踪方法是同时打开两个外部导通元件(图1)。下面的应用电路监视两路电压,并且在开启时启动电荷泵以便完全导通(开启)两个外部n沟道MOSFET。如果输出开始于一个非供电状态,两路电压在栅-源驱动电压下几乎同时开启。两个外部MOSFET之间的参数差异可能导致两路电压之间存在微小的电压差,但封装在一起的双路n沟道MOSFET的性能差异非常小。

图1. 该开环电压跟踪器采用单个电荷泵来同时开启两路电源电压。
图1. 该开环电压跟踪器采用单个电荷泵来同时开启两路电源电压。

该电路提供了一个成本相对较低的“伪”开环电压跟踪器,适用于多种应用场合。当前的一些IC具有电源监视功能,并内置电荷泵以用于实现跟踪功能。例如, MAX6819/MAX6820电源排序器可监视一路电源电压,并且当电压处于规范指标内时,该器件启动电荷泵电路来开启外部n沟道MOSFET。

图2中的示波器测试波形演示了MAX6819通过两个外部n沟道MOSFET (IRF7380)来控制上升的电源电源VCC1和VCC2。(对应图1中所示开环配置中的右上角)。电源电压彼此跟踪,误差在200mV以内,该误差主要由MOSFET的栅-源导通门限决定,但能够满足大多数应用场合的要求。

图2. 开环跟踪结构(图1所示)中由系统管理器件MAX6819控制的输出电压示波器测试波形。
图2. 开环跟踪结构(图1所示)中由系统管理器件MAX6819控制的输出电压示波器测试波形。

设计中面临的问题包括:MOSFET尺寸(以支持最大电流)、漏-源阻抗(决定流过MOSFET的功率损耗)和栅极电荷(决定电压斜坡摆率)。该电路提供5.5V栅-源驱动电压,允许在大电流应用中使用由逻辑电平驱动的MOSFET。为了控制浪涌电流和上升速率,可在栅极和地之间增加一个小电容,以便减缓电压上升斜坡。上电过程中,进行电压跟踪直到电压达到其标称值。更高的电压将继续增加到其稳态值。

掉电过程中进行电压跟踪更加困难,因为各输出电压之间的电压差可能导致一个MOSFET比另一个MOSFET稍微早些开始关断。电源线上的不同容性负载和输出负载也可能影响两路电源电压的斜坡下降速率。为了保证在关断期间跟踪每一路电源,可通过在两条电源线之间连接一个二极管的方法将两路电源钳位在一起。二极管的阳极连接至电压较低的电源上,确保二极管在正常工作状态下不导通。这种低成本的“伪跟踪器”易于实现,但其开路结构不能确保全面的调节功能。

旁路电压跟踪器

上面的方法采用外部n沟道MOSFET作为导通元件。尽管多数n沟道MOSFET完全导通时可提供较低的漏-源阻抗,但是其大电流时的电压降仍会产生功率损耗,并降低负载上的输出电压。假如:图1中的VCC2为1.2V核电源,并且极限工作条件下期望的输出电流为20A,因此5mΩ MOSFET上的压降为100mV。这会导致核电源产生8.125%的压降,如果对此电压进行监视,就会产生一个系统复位。如果成本可以接受,可通过选择漏-源阻抗较低的MOSFET或者并联多个MOSFET的方法来降低导通元件上的损耗。

降低开关导通损耗的一种方法是:选择省掉串联导通元件的电压跟踪器结构。控制器电路具有旁路性能,可在各输出电压上升时将其短接在一起,以确保两个电源电压之间实际压差为零。在最小的电源电压达到其最终门限后,旁路关断,以移除临时短路通道,并允许较大的电源电压上升到其最终门限。不采用串联MOSFET,允许电路满负载工作,且无串联损耗。另外,用作旁路的n沟道MOSFET可以选用适中的尺寸,因为上电期间要求的电源功率(通常)要显著地低于正常工作期间的电源功率。

该结构还可跟踪掉电期间的下降电压(图3)。在包括多于两路电源的系统中可采用多路电源跟踪控制器。不管采用何种类型的DC-DC调节器、输出电容的容量大小(除了对斜坡速率会产生影响)以及首先开启哪路电源等情况,该结构均能很好地工作。

图3. MAX5039电压跟踪控制器的旁路电压跟踪结构可降低功耗。
图3. MAX5039电压跟踪控制器的旁路电压跟踪结构可降低功耗。

MAX5039电源跟踪控制器的关键特性是具有反馈输入CORE_FB。通过一个简单的电阻分压器网络,该器件可在上电期间跟踪电源,当I/O电压超过核电压时关断MOSFET,并且当I/O电源跌落至低于核电源电压时重新打开MOSFET。因此,该器件可在掉电和故障情况下提供电源跟踪功能。该器件还包括故障检测输入,该引脚通过将栅极锁定连接至VCC来将各电源接在一起。通过两个MAX5039配合工作,可跟踪三路电源(图4)。

图4. 多电压系统需要多个跟踪控制器。
图4. 多电压系统需要多个跟踪控制器。

可编程的电压跟踪器

除了跟踪电源外,当今复杂的系统通常还要求更多功能。这些功能包括:电压监视、电压排序和电压跟踪(组合工作)以及电流监视功能。随着系统中电源的数量不断增加,由于通常要用到多个器件,因此合适的解决方案变得越来越困难。另外,这些要求还可能会在原型开发过程期间发生变化,进而迫切希望在系统的不同开发阶段能够调整特定的参数。因此,新一代的电源系统管理器件将大多数功能集成到单个器件中,以便降低元件数量,提供更大的灵活性,并提高可靠性。例如,MAX6876电源系统管理器件可对多路电源进行跟踪或排序(图5)。该器件是EEPROM可编程的四路电源跟踪器/排序器,可调节包括监视门限、故障时序要求、摆率和过流门限在内的多种参数。

图5. 可编程的四路电压跟踪器(MAX6876)
图5. 可编程的四路电压跟踪器(MAX6876)

电源上电时,所有外部n沟道MOSFET均关断,直到所有电源达到其规定的电压,这些电压门限由内部EEPROM通过I²C接口来设置。为确保所有需要的电压在任何时候都可用,会在上电过程、正常的系统工作期间和掉电或故障情况下监视每一路电压。如果少了其中任何一路电源,器件将触发复位信号并跟踪掉电过程。

所有被监视的电源超出其门限时开始上电。为导通外部MOSFET,每个栅极电压开始同时升高(斜坡上升)。系统监视每个MOSFET的源极电压,并与加到负载上的其它电压进行比较。如果任何两个电压之间的差值超过150mV,则电压较高的那个MOSFET的栅极降低其电压上升速率,以便其它较低的电源电压能够“跟上”。如果其它电压不能跟上,则中止上电过程。内部EEPROM通过选择自动重试选项来重新启动上电过程,并可调节栅极驱动摆率。

如果初始化过程中未出现错误,所有电压一起被跟踪,直到最小的电压加到负载上。当达到该最小电压时,系统允许每个栅极上的电压斜坡上升直到下一个较大的电源电压完成上电。该过程将继续下去,直到所有电源上电完毕。四个独立的内置电荷泵提供比输入电压高5.5V的驱动电压,以确保每个MOSFET具有5.5V的栅-源驱动电压。这样可使漏-源阻抗降至最小。使用逻辑电平FET可进一步降低损耗。

为防止故障条件或系统关断期间出现问题,所有电源在掉电时相互跟踪。MAX6876监视流过MOSFET的额外电流,并且可同步四个MAX6876来跟踪16路电源。

结语

从在电源之间连接二极管的简单方法,到使用外部电路或控制调节器反馈回路的复杂方案,实现上电和掉电过程中的电压跟踪方法多种多样。这些技术提供开环或闭环配置,视所要求的可靠性和实现功能的相关成本而定。由于系统变得越来越复杂,核电源电压不断降低,并且功耗不断增加,所以电压跟踪变得越来越重要。

相似文章刊登于2006年5月1日发行的Planet Analog上。