应用笔记 4631

利用MAX16046系统管理IC进行排序

By: Eric Schlaepfer

摘要 : CPU、ASIC、FPGA、存储器等复杂器件通常需要电源排序。MAX16046提供高度集成的排序、监测和电源裕量调节解决方案。本应用笔记介绍了一个利用多个器件实现特定排序要求的示例,并给出了利用MAX16046实现该系统的具体步骤。

引言

现代电子器件具有复杂的供电要求,需要多路电源电压。电源必须能够提供I/O供电电压、CPU、ASIC和FPGA核供电电压、PLL供电电压以及存储器终端供电电压。其它器件则需要高压、大电流或低噪声电源供电,例如无线收发器、超声变送器和LCD或等离子显示屏等。

采用多电源供电的设计要求设计人员严格关注供电顺序问题。每路电源都必须按照指定顺序开启,从而避免将复杂的多电压供电IC内部的保护二极管正向偏置。如果只是简单地同时开启电源,IC可能存在可靠性问题,甚至闭锁。

除电源排序外,某些系统还需要裕量调整。电压裕量调整指通过控制电源电压确保电压处于容差范围内,保证系统可靠运行。

Maxim提供多种电源管理方案,本应用笔记集中介绍了MAX16046,能够对多达12路电源进行排序、监测和裕量调整。

系统示例

本文以下述假设系统为例,该系统是一块带有MPC8548处理器和Virtex® 5 FPGA的通用电路板,表1列出了该设计中复杂IC所要求的不同供电电压。

表1. 电源电压要求
Name Description Spec Current
MPC8548 Voltages
VDD Core supply 1.1V ±55mV 8A
AVDD PLL supply 1.1V ±55mV
SVDD SerDes core supply 1.1V ±55mV
XVDD SerDes pad supply 1.1V ±55mV
GVDD DDR2 I/O supply 1.8V ±90mV 0.5A
VTT DDR2 termination 0.49 × GVDD to 0.51 × GVDD 0.5A
LVDD Ethernet supply 2.5V ±125mV 0.1A
TVDD Ethernet supply 2.5V ±125mV
OVDD I/O supply 3.3V ±165mV 0.1A
BVDD Local bus I/O supply 3.3V ±165mV
Virtex 5 Voltages
VCCINT Internal supply 0.95V to 1.05V ~10A
VCCAUX Auxiliary supply 2.375V to 2.625V 1A
VCCO I/O supply 1.14V to 3.45V 1A
VDD   1.8V ±100mV 2.5A
VDDL   1.8V ±100mV
VDDQ   1.8V ±100mV

处理器和FPGA规定了具体的供电顺序,避免在一定时间内导致内部ESD二极管正向偏置。大规模多电源供电IC的供电顺序通常很灵活,但最好遵循厂商的供电顺序要求。

MPC8548采用以下供电顺序:
  1. VDD
  2. AVDD_n, BVDD, LVDD, OVDD, SVDD, TVDD, XVDD
  3. GVDD
Virtex 5采用以下供电顺序:
  1. VCCINT
  2. VCCAUX
  3. VCCO
每款器件都规定每路电源的最大上电时间为50ms。Virtex 5还要求电源的上升时间不得快于0.2ms。

图1所示的方框图可以很方便地实现电路的供电要求。

图1. 电源框图
图1. 电源框图

由于3.3V DC-DC转换器为下游所有负载点DC-DC转换器供电,因此,要求3.3V电源至少能够提供10A电流。n沟道MOSFET控制3.3V电源用于IO供电,0.9V LDO为1.8V DDR2-SDRAM存储器提供VTT

现在,我们确定了测试系统的电源排序和监测要求,接下来可以利用MAX16046构建系统。

利用MAX16046进行监测、排序和裕量调整

硬件配置

如上所述,MAX16046可对多达12路电源进行监测、排序和裕量调整。监测门限、供电顺序、裕量参数以及其它配置值储存在器件内部的EEPROM。可通过SMBus™或JTAG接口读取实时监控数据,该数据有助于在开发期间检查供电顺序。

如果工作期间发生电源故障,MAX16046能够自动关断电源并触发可配置故障输出报警。该器件还可以配置为在内部EEPROM储存故障信息,以便随后进行分析,故障信息包括电源电压和通道状态。这一功能对于那些在实验室运行正常,但在现场出现故障的电路板进行分析非常有帮助。一旦发生故障,将锁存EEPROM,后续故障将不会覆盖已经储存的故障数据。

图2中的局部电路显示了MAX16046在图1所示电源架构中的连接。MAX16046控制每路电源的使能输入并监测输出。该器件还控制用于3.3V I/O供电的串联旁路MOSFET。MAX16046的DAC输出连接到几个电源的反馈点,实现裕量调整。

图2. MAX16046的局部电路图
图2. MAX16046的局部电路图

图3所示是MAX16046外围的详细电路图,包括电源连接和在线编程连接。低电平有效的SYSTEM_RESET信号连接至MPC8548和Virtex 5的复位输入。预警信号可以向MPC8548报警,启动完全关断和软关断模式;严重故障的指示信号可以连接到一个控制3.3V电源的锁存器,在发生严重过压事件时将其关断(FAULT2完全可编程,但在本应用中设置为过压监测)。看门狗定时器输入WDI连接至MPC8548,使MAX16046能够在MPC8548不能提供WDI时触发SYSTEM_RESET。低电平有效的MARGINUP#和MARGINDN#连接至测试点TP1和TP2,在生产或原型评估期间用于裕量调整。

图3. MAX16046详细原理图
图3. MAX16046详细原理图

本例中,通过JTAG连接完成在线编程。SDA和SCL连接至MPC8548,由此可通过查询MAX16046获取故障信息或实时测量电压值。应用笔记4285:“MAX16046–MAX16049 EEPROM可编程系统管理器的在线编程”详细介绍了在线编程方法。

当EN电压超过0.525V (典型值)时,MAX16046开始控制电源排序;当电压下降至低于0.5V (典型值)时,MAX16046将对电源进行反向排序。在12V电源输出端提供足够大的电容对于确保成功完成反向排序至关重要。门限设置为11.7V,以便在发生这种情况时能够提供足够的电容储能支持反向排序。对于软关断情况,亦可通过SMBus或JTAG控制电源。

与VCC串联的二极管使VCC的电容能够在故障状态下向MAX16046供电。故障状态存储最多需要204ms将故障数据写入至MAX16046的非易失EEPROM。利用MAX16046数据资料中的公式(如下所示)可得出所需要的最小电容值为157µF:
式1.
一旦完成上电排序,MAX16046则释放SYSTEM_RESET,从而使处理器和FPGA能够初始化并开始正常工作。

软件配置

MAX16046配置软件提供了一种方便的方式输入配置参数,无需研究寄存器映射或进行没完没了的计算。电路板上安装的MAX16046通过以下几个步骤完成配置:

第1步
将电源信息输入配置软件的设置标签页(见图4)。

图4. 已输入参数的MAX16046配置软件的设置标签页
详细图片
(PDF, 544kB)
图4. 已输入参数的MAX16046配置软件的设置标签页

在类似电子表格的数据表中,每行表示一个电源。1.8V DDR2电源是双输出电源,所以该行添加了一个“子项”,表示第2路监测输入。点击该行,然后点击Add Subitem按钮为该电源添加额外的监测通道。

欠压和过压值以百分比输入。点击Write to Registers按钮后,该软件将自动计算将要加载至MAX16046寄存器的值。

图5所示,通过Margining Calculator输入裕量调整参数。在给定电源的基准电压和三个电阻值后,裕量调整计算器将自动计算电压范围,它将确定调高电压裕量或调低电压裕量所需要的寄存器值。

图5. 3.3V电源的裕量调整计算器
图5. 3.3V电源的裕量调整计算器

第2步
打开排序标签页,从而确定供电顺序。图6所示为示例电路的供电顺序。利用鼠标光标将电源电压拖至适当的顺序。通过点击顶行带下划线的蓝色链接设置电源之间的延迟,按照表2设置延迟。

表2. 时隙延迟
Slot 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Delay 12.5ms 25ms 25ms 25ms 12.5ms 12.5ms 20µs 20µs 20µs 20µs 20µs 20µs

图6. 排序配置
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(PDF, 876kB)
图6. 排序配置

第3步
打开通用标签页,设置可编程故障输出、看门狗定时器及其它各种参数,图7所示为通用参数标签页。

图7. 通用参数配置
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(PDF, 736kB)
图7. 通用参数配置

GPIO1的Any Fault PP配置使其在发生排序故障或FAULT1和FAULT2任一条件为真时触发报警(推挽式)。该信号送至MPC8548输入端,指示发生故障。MPC8548可通过SMBus查询MAX16046,确定故障原因。

GPIO6的Fault 2 PP配置使其在发生严重的过压故障时触发报警(推挽式)。GPIO6可以控制切断电路板电源,防止损坏电路。触发GPIO6报警的条件取决于FAULT2栏的选项框设置。

GPIO4配置为闭环跟踪(INS4),该通道用于控制3.3V IO电源。95%的电源就绪门限表示当串联旁路MOSFET的源极电压超过漏极电压的95%时,电源进入就绪状态。

复位超时设置为200ms。当所有电源电压达到电源就绪状态并保持200ms后,SYSTEM_RESET为逻辑高电平,使处理器和FPGA解除复位状态。

看门狗定时器在解除SYSTEM_RESET后具有25.6s的初始启动延时。该延时在触发WDI之前为MPC8548提供了导入程序的时间。Dependent初始启动延时从上电过程结束时开始计算。

其它Miscellaneous Timers参数包括:3.3V IO的Slew-Rate控制(400V/s);1600ms的Auto-Retry延时,该延时使MAX16046在出现一次上电排序故障时经过1.6s延时后重试;Fault Up Timer/Fault Down Timer允许每路电源有25ms的时间上升到规定门限范围内,或在断电时下降到规定值。

完成所有配置参数设置后,即可将数据保存到一个文件进行批量编程,或保存到版本控制系统。MAX16046配置软件能够生成用于JTAG编程的SVF文件。

将配置文件加载到已安装的目标电路板后,可利用配置软件的监测标签页进行原型评估。监测标签页利用MAX16046的ADC为每个电源提供实时电源电压监测图形。虽然图形的采样率过慢,以至于不能观察到供电顺序,但仍可以检查电压。

图8.电压监测截屏给出了排序结果
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(PDF, 824kB)
图8.电压监测截屏给出了排序结果

图8所示为示例电路的电压屏幕截图,图9所示为标出了电源电压的示波器波形。可在3.3V IO电源上观察闭环跟踪的摆率。

图9. 供电顺序示波器波形
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(PDF, 716kB)
图9. 供电顺序示波器波形

可以检查示波器波形,并将其与MAX16046配置软件设置的顺序和时序进行比较;它还必须与原始的供电顺序要求一致。这种情况下测得的供电顺序与上述规格一致。

可将两个测试点TP1和TP2中的任意一个接地,使所有电源电压上升或下降到预定值,以评估裕量调整功能。可利用MAX16046或独立的伏特计测量电源电压。

结论

MAX16046为复杂的多电源供电系统提供了一个简单明了方案,用于电源排序、裕量调整和电源监测。MAX16046配置软件简化了对容限和供电顺序的配置。

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