电源供应排序的一种新方法

---大多数用于当前通信和数据处理应用的卡需要不同的 IC 供应电压。在开关电源时正确排序这些供应电压已经成了一个设计问题,且当前已经混合了最新硅设备的各项迫切要求。本文主要关注了各种不同的电源供应排序模型的优缺点,特别说明了带有内置排序功能的新一代模块化POL转换器如何提供明显的成本节约方案。
---利用微米以下级制造技术,硅产品制造商稳定地提高了高端集成处理器的性能和功能性。伴随这种制造技术所产生的趋势是需要越来越低的操作电压,由最大限度地转换速度所驱动,并能防止更小的几何级晶体管的次要故障发生。很显然,这一趋势也适用于所有的带有高速处理器核心的高性能集成电路--包括DSP、ASIC、FPGA和CPLD。这些复杂的集成电路通常需要好几个电源线路,一个用于处理核心,另一个用于一个或更多的I/O 功能。通常核心电压值为1.2V、1.5V或1.8V,而I/O功能通常更高一些,如2.5V、3.3V或5V。

电源排序过程是基础
---为了避免电压对处理核心造成损害和内部锁死,硅芯片生厂商严格定义了 I/O 和核心电压之间的开启和关闭次序。然而,为了满足卡上的所有设备的各种不同的排序需求,必然引起相当大的设计挑战,因为不同的集成电路生产商都会推荐不同的排序方法。这样就会搞得很复杂,在终端应用程序中甚至可能与核心和 I/O 之间的斜线上升电压产生关联。此外,需要推荐的排序电路增加了一些不必要的复杂性和费用,且会占据有用的主板空间。
---三种电源供应排序方法
---大部分情况下,设计者要选择3种不同的电源供应排序方法,如我们所知的“连续”、“比例”和“同步”。使用连续排序方法,一旦过去了合适的延迟周期后,主电源的升高可用来控制第二个电源的升高。比例排序是另一种不同的方法,它从辅电源上的一个电阻器分配链中衍生出第二个电源控制信号。
---而同步排序却允许所有的电源按同一个速度上升到一起,直到每一个电源都达到它们的设置点为止。这一方法可提供最大的机会以满足不同的集成电路 (IC) 生产商所规定的不同的排序需求。
---POLA 联盟成员所引入的新一代 POL 转换器,可完全支持同步排序,这意味着大多数应用都可使用这一技术,如本文所详述的那样。

连续排序 - 不同的方法
---提供电源排序的最简单方法是将 RC 网络置于主电源和辅电源的远程开关控制输入之间。后者通常可以是一个隔离或非隔离 DC/DC 转换器或电源调整器模块。这种方法有一些主要的缺点,比如没有什么方法可保证在较早的电压没有出现的情况下后面的电压就不会出现。
---要克服这些缺点,可添加一个电压比较器和一个参考电压到 RC 网络中,以确保第一个电源处于合适的电压范围之内,然后再打开第二个电源的开关。如图 1 所示。这样操作可在后续的电源中重复使用。如果某个前面的电源失败并关闭,则这些电路也可自动关闭。
---然而,这一方法的缺点是需要更多电路所带来的复杂性。此外,如果电路需要以开启的相反顺序依次关闭,则需要更多电路,如图 2 所示。
---即使主板设计师可以相对容易地实现此种类型的排序--大量专门的集成电路 (IC) 生产商生产出管理 IC 以合并这些电路--它依然会占掉大量宝贵的主板空间。带来过高的额外费用,并且随着大量电压电源的升高,会变得越来越难以处理。图 3 显示了一个典型的电源排序电路,它基于离散组件,使用一个管理 IC 来监视三个 DC/DC 转换器模块的输出。
---在电源上升过程中,一旦管理 IC 检测到这三个转换器已经达到了它们的铭牌规定的电压,则电压线路将同步应用到负载上。这种方法将遭受一个高分量计算,设计师不得不在每一个电源通道中添加 MOSFET 电源开关。这样将在它们的自身权利中带来某些损失,并且只可以处理相对低的负载电流。
---一些半导体生产商还生产完全集成的排序器,这些本质上是微型处理器,可控制主板上不同电源的排序,同时可提供其他电源管理功能,比如监视功能。图 4 显示的是一个典型的装置,这里排序器控制着 4 个非隔离的 DC/DC 转换器。
---完整集成的电源排序器的确具有在需要多个电源电压的主板上运行的职能。它们与基于 RC 网络的离散执行相比,具有更少的麻烦,却可提供更精确定义的排序方法,并且可提供相当灵便的配置功能。然而,它们总是复杂的设备,需要在自我权利方面可编程,并且对于许多主板设计,表现为一个过度复杂的解决方案。此外,设计师经常需要合并 MOSFET 电源开关到每一个电源通路中。主板布局在那样的几个信号线路中很复杂,必须在排序器和每一个被控制的转换器之间形成传送通路,专用信号线路趋向于限制功能,且排序器可能比它们所控制的 POL 转换器更昂贵。
---需要这样的排序器 IC 的一个主要原因是因为市场上的少数电源模块只提供除对排序的基本支持外的东西,比如远程开/关。采用这种方法可能会带来一些自身的问题,因为大多数排序电路基于离散的组件,它们只具有按小电流强度的顺序处理负载电流的能力,这种情况现在被设置成十分显著的变化,遵循新一代 POL 转换器的指南,可提供内置电源排序功能并提供从 6 到 30 A 的电流输出。

Auto-Track（自动跟踪）排序
---这一新的电源排序形式,唯一适用于 PTH 系列 POL 转换器,它是由 Artesyn Technologies、德州仪器和 Astec Power 等几家公司根据负载点联盟 (POLA) 所发起的条款而开发出来的。Auto-Track （自动跟踪）专门用来简化处于序列中的每一个上升或下降的模块电源所需的电路总数。自动跟踪的基本实现可以很便利地实现同步电压排序;不用持续地延迟电源电压,它们可被允许以相同频率统一上升。以用于核心和 I/O 功能的两种电压为例,它们将持续上升,直到核心电源达到其正常额定值（设置点）,更高的 I/O 电源则可以持续上升,直到其达到它的设置点值。在关闭过程中,则和上面的刚好相反。
---许多主板设计师已经在使用同步电压排序,并且这已经成为双电源应用中的最流行的技术。然而,尽管已经大范围接受了这项技术,但直到现在,这一技术实现起来仍然很困难,因为它需要一个或多个主板上的电源模块正好在电源上升和电源下降转换的同时被控制。要使用标准的商用电源模块获得这样一种控制精确度,主板设计师需要合并更多组件,并且需要有关模块输出额定电流的详细信息,而生产商通常不会提供这样的信息。
---所有 PHT 系列 POLA 兼容的电源模块所内置的自动跟踪排序功能都可克服这些问题,具体方法是在电源上升和电源下降转换过程中,通过允许输出电压得到精确控制来实现,这需要使用少数几个（如果需要的话）额外的组件。控制信号可以来源于一个主斜坡信号生成器、其他电源模块的输出电压或模块本身内部的斜坡上升电压（通过一个内置的 RC 充电电路来产生）。图 5 显示了一个进行自动跟踪排序的典型的电路,它正在使用模块内部的斜坡上升电压工具。
---自动跟踪排序操作非常简单。每一个 PHT 系列电源模块都有一个额外的控制针,我们称之为“跟踪针”。每一个模块的输出电压都将精确地符合应用在跟踪针上的电压,从 0 V 到模块的设置点。一旦跟踪针上的电压升高并超出模块的设置点,则输出电压将保留在这一设置点上。如果不需要自动跟踪功能,则可以通过将跟踪针连接到输出电压上来禁止这一功能。
---电源上升顺序首先通过将一个逻辑高信号应用到图 5 中显示的晶体管来启动,将所有的跟踪控制针拉到地面上保持 10ms,以便让电源模块完成其内部软启动初始化过程。在这一过程中,所有相关电源模块的输出都将为 0 V。过完这一段时间后,晶体管将被关闭,允许跟踪控制电压自动上升到模块的输入电压。每一个模块的输出电压都将同步上升。直到分别达到各自对应的设置点为止,如图 6 所示。
---电源下降是通过将跟踪控制电压降低到0V的方式来实现的。唯一的限制条件是电源模块必须具有一个有效输入电压,直到电源下降顺序完成,并且跟踪控制电压下降速度不能超过1V/ms,这是 PHT 系列电源模块的回转速度性能。图 6 所示的电阻器和电容器的值被选作限制速度,这样晶体管就可降低跟踪电压。在跟踪电压持续降低到每个模块的设置点以下后,该模块的输出电压将开始下降,换句话说,电源下降恰好和电源上升相反。
---Artesyn 现在已经发布了 15 个 PTH 系列的非隔离负载点 DC/DC 转换器模块。所有这些功能自动跟踪电源排序并完全兼容联盟其他成员的 POLA 产品。模块包括非常广泛的输入和输出电压,并且提供了 9 个不同的电流输出供选择,从 6～30 A。电子设计师现在可以从大量生产商那里获得这些灵活的低电压电源模块,以保证能为多线路主板轻松而低成本地实现高级的电源排序计划。图 5 中显示的自动跟踪配置与图 3 中所示的离散电路的组件数比较,就可发现通过电源排序新方法所导致的电压节约。