電源設計工程師通常采用靈活的電源監視、時序控制和調節電路來管理他們的系統。本文討論電源管理的原理和方法。

　　多年來，為了使電子系統安全、經濟、耐用和正常工作，對越來越多的電源電壓進行監測和控制變得極為重要——特別是對于使用微處理器的系統。監測一組電源電壓是否超過閾值或者仍然處于正常工作范圍內，以及該電壓是否相對于其它電壓依照正確時序啟動或關閉，對于系統工作的可靠性和安全性來說是至關重要的。對于這個問題，在每個不同角度上都有著許多解決的方法。例如，利用一個由精密電阻分壓器、比較器和參考電壓所組成的簡單電路，能夠用來檢測一組電源電壓是否高于或低于某一規定電壓。在復位發生器中，例如ADM8032，這種元件與一個延遲元件相結合來控制器件——例如微處理器、專用集成電路（ASIC）和數字信號處理器（DSP）——在電源啟動的同時就處于復位狀態。這種等級的監測對于許多應用來說是足以勝任的。當需要監測多組電源電壓時，通常將多個器件（或是多通道比較器及其相關電路）并聯使用，但是增加了對監控IC的要求，不再是簡單的閾值比較。

　　在許多應用中，電源的數目也顯著增加。在一些復雜、昂貴的系統中，例如局域網（LAN）交換機和蜂窩電話基站，通常都會有內含10組或更多電源的線路卡；即使注重降低成本的消費類系統，例如等離子電視，也可能有多達15組的獨立電源，其中許多電源需要監測和時序控制。現今許多高性能的IC都需要多組電源，例如，對于許多器件而言，提供獨立的內核電源電壓和I/O電源電壓已成為一種標準作法。在高端產品方面，每顆 DSP可能需要高達四個獨立供應的電源。在許多情況下，多顆多電源器件可能共同存在于同一系統中，其中包含FPGA、ASIC、DSP、微處理器和微控制器（以及模擬單元）。

　　許多器件都采用標準電源電壓（例如 3.3 V），而另一些器件可能需要專用電源電壓。除此之外，一個特定的標準電壓還可能需要根據不同的供應對象而個別加以調整。例如，有時會需要像3.3 VANALOG和3.3 VDIGITAL這樣獨立供應的模擬電源和數字電源。為了提高效率（例如：供應給內存使用的電源電流可能達到數百安培）或者為了滿足時序要求（個別的器件在不同時間需要3.3 VA以及3.3 VB），多次產生相同的電壓有時可能是必要的。所有的這些因素都促使電源數目的增加。電源電壓監測和時序控制有時會變得極為復雜，特別是當一個系統必須設計成能夠支持電源上電和電源關斷的時序控制、以及能夠在工作期間內不同時間點上，針對各組電源所有可能的故障狀況產生多種響應，而中心電源管理控制器正是解決這個難題的最佳方案。

　　隨著電源電壓數目的成加，故障發生的機率也隨著增加。其風險與電源數目、器件數量和系統復雜程度成比例增加。外在因素也會增加風險，例如，假如在初始設計階段，主要的ASIC的特性沒有被完整的定義清楚，那么電源設計工程師必須用硬件方法完成電壓閾值監測和時序控制，因為會隨著ASIC的發展其電源電壓指標會發生變化。假如其技術要求改變，那么其PCB必須根據——明確的進程予以修改，這通常涉及到成本問題。另外，對于某些特定器件來說，其電源電壓的指標可能會在其開發期間有所變化。在這種情況之下，對于任一個中心電源系統管理器來說，一個易于調整電源電壓的方法應該是非常有用的。事實上，在對于此類系統的電源進行監測、時序控制和調節所應具備的靈活性是非常必要的。

　　1.基本監測

　　圖1示出一個利用ADCMP3543比較器和參考電壓源IC監測多組電源電壓的簡單方法。其中，每組電源都使用一個獨立的電路，電阻分壓器將電源電壓降低，并對每一組電源電壓設定一個欠壓跳變點。此外，所有的輸出都結合起來，以產生一個公共的電源好信號。

　　　　圖1.用于三電源系統基于比較器的欠壓檢測和共同電源準備好輸出指示

　　2.基本時序控制

　　圖2示出了如何用分立器件完成基本的時序控制，此處采用邏輯閾值而不是比較器。這里的12 V和5 V電源是在別處電路產生的。為了確保系統能夠正確地工作，必須導入一段時間延遲。在此是利用一個電阻電容（RC）的組合，以便緩慢地將串聯的5 V電源電壓施加在 N溝道場效應晶體管（FET）的柵極上。此處所選用的RC值可確保在FET達到其閾值電壓并且在開啟之前有足夠的延遲時間，其中3.3 V和1.8 V電源電壓是由低壓差（LDO）穩壓器ADP33304和ADP33335產生的。這兩個電壓的啟動時間也是利用RC時序控制的。由于RC能驅動每個LDO的關閉（SD）接腳，因此是不需要串聯FET。這里設定的RC值是為了確保在SD接腳的電壓爬升到其閾值以前有足夠的延遲時間（t2， t3）。

　　圖2．四組電源系統的基本分立式時序控制

　　這種簡單、低成本的時序控制電源的方法，占用很少的PCB面積，所以許多應用都能夠完全接受。這種方法適合于成本是主要考慮，對于時序要求很簡單，而且時序電路的精確性不是十分重要的系統。

　　但在許多情況下，還會需要有比RC延遲電路更高的精確性。此外，這種簡單的解決方案也不能容許以結構化的方法來處理故障情況（例如：一個5 V電源電壓失效最后也會影響到其它電源電壓）。

　　3.利用IC進行時序控制

　　圖3示出如何使用ADM68206和ADM10867電源時序控制IC正確可靠地時序控制同一系統中的電源電壓。內部比較器會檢測電源電壓何時超過精密設定值。經過可編程的啟動延遲之后產生輸出，從而使得ADP33098和ADP33359穩壓器能按照需求的時序工作。使用電阻比值來設定閾值；利用一只電容器來設定延遲時間。

　　圖3．使用監測IC實現的對對電源系統時序控制時序

　　市面上可提供多種多樣的電源時序控制IC10。有一些器件具有能夠直接啟動電源模塊的輸出，并且可提供多種輸出配置。有些IC包含內置電荷泵電壓產生器。這點對于需要對上行產生時序控制，但卻又欠缺高電壓源（例如，12 V電源）的低電壓系統特別有用，用以驅動N溝道FET柵極。許多這類器件也具有允許（enable）引腳，可以接受來自于按鈕開關或是控制器的外部信號，以便在需要時能夠重新啟動時序控制或者關斷所控制的電源。

　　4.集成的電源系統管理

　　有些系統具有許多電源，這類應用對于需要使用大量IC和利用電阻器和電容器來設定延遲時間和閾值幅度的分立式作法而言，會變得過于復雜、耗費成本，而且也無法提供適當的性能。

　　圖4．一個用于八組供應系統的集中式排序以及監測解決方案

　　考慮一個具有八組電源，需要復雜電源啟動的時序控制系統。必須監測每組電源，以免產生欠壓或過壓故障。當產生故障時，根據故障機制，要么關斷所有電源電壓，要么初始化關斷電源時序。此外，必須根據控制信號的狀態采取執行措施，并且必須根據電源的狀態產生標志位。要利用分立器件和簡單的IC來完成如此復雜的電路，可能需要動用數以百計的單獨元件、占用很大的PCB面積以及便隨的大量成本。

　　在具有四組或更多電源系統中，使用一個集中式的器件來管理電源會是比較合理的作法。這個方法的一個例子可從圖4中看到。

　　5.集中式監測和時序控制

　　ADM106x Super Sequencer?11超級時序控制器系列仍然使用比較器，但是有一些重要的不同點。每個輸入端都有兩個專用的比較器，以完成欠壓和過壓檢測，這樣便可對ADP182112和ADP2105 DC/DC變換器和ADP1715 LDO所產生的電壓提供區間監測。欠壓故障是電源啟動之前的正常狀態，因此這個狀態為時序控制提供指示。過壓狀態通常表示一種嚴重故障——例如FET或電感器短路，所以必須立即行動。

　　系統具有電源數量越多通常也會越復雜，因而受精度限制越嚴格。另外，在低電壓狀態下（例如1.0V和0.9V）利用電阻器來設定精確的閾值也成為問題。雖然在5V電源上可以接受10%的容許誤差，但這個容許誤差對于1V電源來說不能接受。ADM1066在最壞情況下允許輸入檢測器比較器的閾值設定在 1%范圍內，而與電壓值（低到0.6 V）無關，并且工作在該器件允許的整個溫度范圍，這可增加每個比較器的內部尖峰毛刺濾波和延遲。它的邏輯輸入可以用來啟動電源上電順序、關閉所有的電源、或執行其它的功能。

　　這些來自一組比較器并且送往功能強大和靈活的狀態機內核的信息，可用于以下幾種用途：

　　時序控制：當最近被允許的電源輸出電壓進入到一個比較器區間內，可觸發一個時間延遲以便按照啟動電源的時序開啟下一個電源。具有多重電源啟動和電源關閉時序，或是具有差異甚大的電源啟動和電源關閉時序的復雜時序控制都可以做到。

　　超時：假如一個已被允許的電源電壓并未按照預期上來，可以執行一套適當的反應作業（例如產生一個中斷信號或關閉系統）。相對之下，純模擬的解決方案只會懸掛在時序中的那點上。

　　監測：假如任一電源上的電壓超出了預設的區間，可以依據發生故障的電源、發生故障的類型和當前的工作模式，執行一套適當的反應作業。具有五組以上電源的系統通常都相當昂貴，因此全面的故障保護是極為重要的。

　　6.電源調整

　　除了能夠監測多組電源電壓以及提供復雜的時序控制解決方案之外，ADM1066這類集成電源管理器件，還可提供暫時性或是永久性調整個別電源電壓的工具。 DC/DC變換器或穩壓器的電壓輸出，可以通過調整該器件上的調整節點或者反饋節點上的電壓來改變。一般來說，一個模塊中介于輸出與地線之間的電阻分壓器，會在調整引腳和反饋引腳之間設定一個標稱電壓，從而設定出一標稱輸出電壓。通過切換反饋回路中的額外電阻器或者控制可變電阻的簡單機制，便可改變調整電壓和反饋電壓，進而調整輸出電壓。

　　ADM1066配備有數模轉換器（DAC），可以直接控制調整節點和反饋節點。為了得到最大的效率，這些DAC不會在地線與最大電壓之間工作，而是會以標稱的調整電壓或反饋電壓為中心點，在一相當窄的區間中工作。衰減電阻器的阻值會經由DAC的每個LSB改變，來對電源模塊輸出的遞增變化產生比例縮減的效果。這種開環調節方式提供了提升邊限或者降低邊限的標準，相當于那些利用參考電路中的數字電阻切換所獲得的結果，并且可以將輸出調整到類似的精度。ADM1066還包含一個用來測量電源電壓的12 bit模數轉換器（ADC）， 以方便實現一個閉環電源電壓調節方法。通過給定的DAC輸出設定，電源模塊的電壓輸出可由ADC予以數字化，并用軟件方法與所設定的目標電壓進行比較。這樣，便可調整DAC來校正電壓輸出，使其盡可能接近目標電壓。這個閉環調節方法提供了一個非常精確的方式來調整電源。使用了閉環方法，就與外部電阻的精確度完全無關。在圖4中，DC-DC4的輸出電壓便是利用其中一個內置DAC來加以調整的。

　　這種電源調節方案有兩個主要用途，第一是電源容限的概念，也就是當電源處于設備規定的電源電壓范圍的邊界值時，測試系統做出的反應。要求數據通訊、電信、蜂窩電話基礎設施、服務器、和儲存區域網絡設備等制造商在將他們的系統交給終端客戶之前必須嚴格測試。系統中的所有電源電壓都應該在一定的容許誤差范圍內工作（例如±5%、±10%）。電源容限特性允許所有的內置電源電壓通過確保正確工作所做的測試，調整到容許誤差范圍的上限和下限。具有電源調整能力的集中式電源管理器件，便可以用來進行這種電源容限測試，同時只需要完成一次測試所需的額外器件和PCB面積最小——在制造商的測試地點完成容限測試期間。四角區域測試——也就是通常需要在工作電壓和溫度范圍進行測試，因此ADM106213除了具有閉環電源電壓容限檢測電路之外，還集成了溫度檢測和回讀功能。

　　電源調節方案的第二個用途是為了補償工作現場的系統電源電壓的波動。有許多的原因會造成電源電壓波動。就短期間而言，當溫度改變時，電壓的輕微改變是十分常見的；就長期來說，某些器件的參數可能會隨產品的長期使用而產生輕微的漂移，這可能也會導致電源電壓的漂移。ADC以及DAC環路可以周期性地被啟動（例如每10，30，或60秒），再結合了軟件校正環路，便能夠將電源電壓保持在其應有的狀態。

　　7.使用靈活性

　　ADM1066具有內置非易失存儲器，所以當系統的時序與監測需要在開發過程中逐步發展時，允許按照需求進行多次重新編程。這意味著硬件設計可以在產品原型設計的初期完成，而且監測和時序的最優化可以隨著項目的進展來進行。