電源芯片

電源芯片簡介

　　電源管理芯片，是在電子設備系統中擔負起對電能的變換、分配、檢測及其他電能管理的職責的芯片。主要負責識別CPU供電幅值，產生相應的短矩波，推動后級電路進行功率輸出。常用電源管理芯片有HIP6301、IS6537、RT9237、ADP3168、KA7500、TL494等。

　　基本類型

　　主要電源管理芯片有的是雙列直插芯片，而有的是表面貼裝式封裝，其中HIP630x系列芯片是比較經典的電源管理芯片，由著名芯片設計公司Intersil設計。它支持兩/三/四相供電，支持VRM9.0規范，電壓輸出范圍是1.1V-1.85V，能為0.025V的間隔調整輸出，開關頻率高達80KHz，具有電源大、紋波小、內阻小等特點，能精密調整CPU供電電壓。

電源芯片百科

　　電源管理芯片，是在電子設備系統中擔負起對電能的變換、分配、檢測及其他電能管理的職責的芯片。主要負責識別CPU供電幅值，產生相應的短矩波，推動后級電路進行功率輸出。常用電源管理芯片有HIP6301、IS6537、RT9237、ADP3168、KA7500、TL494等。

　　基本類型

　　主要電源管理芯片有的是雙列直插芯片，而有的是表面貼裝式封裝，其中HIP630x系列芯片是比較經典的電源管理芯片，由著名芯片設計公司Intersil設計。它支持兩/三/四相供電，支持VRM9.0規范，電壓輸出范圍是1.1V-1.85V，能為0.025V的間隔調整輸出，開關頻率高達80KHz，具有電源大、紋波小、內阻小等特點，能精密調整CPU供電電壓。

　　應用范圍

　　電源管理芯片的應用范圍十分廣泛，發展電源管理芯片對于提高整機性能具有重要意義，對電源管理芯片的選擇與系統的需求直接相關，而數字電源管理芯片的發展還需跨越成本難關。

　　當今世界，人們的生活已是片刻也離不開電子設備。電源管理芯片在電子設備系統中擔負起對電能的變換、分配、檢測及其它電能管理的職責。電源管理芯片對電子系統而言是不可或缺的，其性能的優劣對整機的性能有著直接的影響。

　　提高性能

　　所有電子設備都有電源，但是不同的系統對電源的要求不同。為了發揮電子系統的最佳性能，需要選擇最適合的電源管理方式。首先，電子設備的核心是半導體芯片。而為了提高電路的密度，芯片的特征尺寸始終朝著減小的趨勢發展，電場強度隨距離的減小而線性增加，如果電源電壓還是原來的5V，產生的電場強度足以把芯片擊穿。所以，這樣，電子系統對電源電壓的要求就發生了變化，也就是需要不同的降壓型電源。為了在降壓的同時保持高效率，一般會采用降壓型開關電源。同時，許多電子系統還需要高于供電電壓的電源，比如在電池供電設備中，驅動液晶顯示的背光電源，普通的白光LED驅動等，都需要對系統電源進行升壓，這就需要用到升壓型開關電源。此外，現代電子系統正在向高速、高增益、高可靠性方向發展，電源上的微小干擾都對電子設備的性能有影響，這就需要在噪聲、紋波等方面有優勢的電源，需要對系統電源進行穩壓、濾波等處理，這就需要用到線性電源。上述不同的電源管理方式，可以通過相應的電源芯片，結合極少的外圍元件，就能夠實現?？梢?，發展電源管理芯片是提高整機性能的必不可少的手段。

　　開關電源控制芯片r7731的工作原理

　　供電（啟動）：芯片的VDD腳接一個電容到地，一個電阻到輸入電壓正極，上電時輸入電壓通過電阻給電容充電，當電容上的電壓充到芯片的啟動電壓門限值時，芯片開始工作。

　　供電（維持）：為了節能，啟動電阻都比較大，單靠電阻電容不能提供維持芯片正常工作所需的電流，所以要在高頻變壓器上設一個供電繞組給芯片供電。芯片一旦啟動工作，該繞組的輸出電壓就為芯片提供持續的電源。

　　開關管驅動：芯片一旦啟動工作，GATE腳便驅動開關管導通或截止，各輸出繞組便有電壓輸出。

　　開關管電流檢測：開關管源極接一個電流采樣電阻，采樣電壓送到芯片CS腳，當電流達到設計的最大值時，CS腳電壓大于芯片內部設定的基準電壓，GATE腳電壓變低，關斷開關管。

　　輸出電壓反饋：輸出電壓的變化經光藕反饋到芯片COMP腳，控制占空比?！　≌袷庮l率：RT腳到地的電阻大小，決定開關頻率。

　　電源管理的原理和方法

　　多年來，隨著系統內電源數量的增多，為了確保其安全、經濟、持續和正常的工作，特別是在使用微處理器時，對電源軌進行監測和控制變得非常重要。確定電壓軌是超過閾值還是處于工作范圍內，以及該電壓相對于其它電壓軌是否按照正確的時序上電或斷電，這些對于系統運行的可靠性和安全性來說都是至關重要的。

　　對于這個問題，有許多解決方案。例如，利用由精密電阻分壓器、比較器和基準電壓源組成的簡單電路，就能夠檢測電壓軌上的電壓是高于還是低于規定的電平。在復位發生器中，如ADM809，將這類器件與延遲器件結合在一起，能夠使微處理器、ASIC（專用集成電路）以及DSP（數字信號處理器）等在上電時便處于復位狀態，這種類型的監控適合于多種應用。

　　當需要監控多路電壓軌時，會需要更多的不只是用于簡單監控電壓的監控IC。例如，考慮一個常見的電源時序控制需求：FPGA（現場可編程門陣列）制造商規定，在向器件提供5V I/O（輸入/輸出）電壓之前，必須先施加3.3V的內核電壓，并持續至少20ms，以避免器件上電時受到損壞。對于系統的可靠性來說，滿足這樣的時序要求就像要保證器件在規定的電源電壓和溫度范圍內工作一樣至關重要。

　　隨著應用的發展，電源軌數量也在顯著增加。一些復雜、昂貴的系統，如LAN（局域網）交換機和蜂窩電話基站，線路卡通常會包含10路或更多電壓軌;即使是成本敏感的消費類系統，如等離子電視，也可能具有多達15路的獨立電壓軌，其中許多電壓軌都需要進行監控和時序控制。

　　目前，許多高性能的IC都需要多路電壓。例如，提供獨立的內核電壓和I/O電壓已成為許多器件的標準。在高端系統中，每個DSP器件會需要多達四個獨立的電源。而在更多情況下，單一系統中可能存在著大量的多電源器件，包括FPGA、ASIC、DSP、微處理器和微控制器（以及模擬器件）。

　　系統中有許多器件都可以采用標準電源電壓供電（如3.3V），而另一些器件可能需要專用電壓。此外，某些標準電壓可能還需要用到很多不同的地方。例如，有時會需要像3.3 VANALOG和3.3 VDIGITAL這樣獨立的模擬電源和數字電源。為了提高效率（如存儲器電源軌的電流會達到數百安培）或滿足時序要求（個別器件在不同時間需要3.3 VA以及3.3 VB），可能需要多次產生相同的電壓。所有這些因素都導致電源數量的增加。

　　電壓監控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為能夠支持上電時序控制和斷電時序控制，并能夠在工作期間的不同時間點上對不同電源軌上的所有可能故障狀況均產生多種響應時。中心電源管理控制器是解決這個難題的最佳方案。

　　隨著電源電壓數量的增加，發生故障的幾率也隨之增加。其風險與電源數量、器件數量和系統復雜程度成正比，外部因素也會增加風險。例如，如果在初始設計階段沒有完整地定義出主ASIC的特性，那么電源設計工程師必須用硬連線實現電壓監控閾值和時序控制，但這些都可能會隨著ASIC技術指標的改變而發生變化。如果需求發生改變，那么PCB（印制電路板）必須進行修改，這顯然會影響開發進度和成本。另外，某些特定器件的電源電壓技術指標可能會在開發過程中有所改變。在這種情況下，對于任何一個中心電源系統管理器來說，易于調整電源的方法將會是非常有用的。事實上，對這種系統的電壓軌進行監控、時序控制和調節時，靈活性是非常重要的。

　　對選定的故障保護機制和時序控制的魯棒性進行評估是一件相當龐大的工作，因此，能夠簡化這一過程的器件將加速電路板的評估，并縮短上市時間。不論是在工作現場，還是從早期PCB開發到原型評估的各個設計階段，故障記錄以及數字化的電壓和溫度數據都是很有用的特性。

　　基本監控

　　下圖所示為利用ADCMP361監控多路電壓軌的簡單方法，這是一款內置基準電壓的雙極性輸出、±0.275%精度的比較器 。由于ADCMP361內置400mV高精度基準電壓源，因此可以精確的監控非常低的電壓，例如0.9V 的電壓軌。其中，每路電壓軌都使用獨立的電路。電阻分壓器將電壓軌按比例降低，并為每一路電源設置一個欠壓跳變點。所有的輸出被連接在一起，產生通用電源良好信號。

　　基于比較器的欠壓檢測，提供通用電源良好輸出，可用于3路電源系統

　　由于采用更低電源電壓的新工藝的發展，加上遺留的I/O電壓要求，近年來復雜系統中電壓軌的數量大幅增加。當需要監控多路電壓軌時，可以使用能分別監控兩路或三路電壓軌的多電壓監控器，如ADM13305以及ADM13307。ADM6710與ADM1184還可以監控四路電壓軌。ADM6710可提供預調電壓閾值，ADM1184可提供4個高精度（±0.8%）的可調輸入信號，能夠利用外部電阻分壓器網絡設置跳變閾值。

　　多電壓監控器

　　表1 多電壓監控器

　　更小的工藝尺寸正在推動內核電壓向更低的方向發展。通常在大電流情況下，必須有效地提供低電壓，而且必須遵守嚴格的調節和瞬態指標。低壓時余量的不足可能會引起預想不到的器件行為。例如，如果電源電壓下降到電信ASIC的閾值以下，芯片的工作會出現異常，可能導致正在發送的信息被破壞或者數據丟失。隨著內核電壓的下降，對高精度電壓監控器的要求將更加苛刻，如圖所示。

　　圖 需要高精度監控器

　　在這個例子中，1 V穩壓電源實際的電壓范圍是0.97 V～1.03 V。微處理器可接受的核心電壓是1 V （±5%），即0.95 V～1.05 V。因此，欠壓監控范圍為2%。而ADM13305、ADM13307與ADM1184的可調輸入在整個溫度范圍內的精度高達±0.8%，電阻分壓器的精度為±0.1%，這使得欠壓電平監控精度范圍能保持在2%以內。

　　基本時序控制

　　圖3所示的是如何利用分立器件實現基本的時序控制，此處采用邏輯閾值而不是比較器。12V和5V電源軌是由其它電路產生的。為了確保系統能夠正確工作，必須引入一段時間延遲。這里是通過使用RC（電阻電容）電路來緩慢升高與5V電源串聯的N溝道FET的柵極電壓而實現的。所選用的RC值可確保FET在達到閾值電壓并導通之前能獲得足夠的延遲時間。3.3V和1.8V電源軌是由線性穩壓器ADP120和ADP130產生的。這些電壓的上電時間也是利用RC來進行時序控制的。由于RC能驅動每個LDO的EN（使能）引腳，因此無需串聯FET。選定的RC值要確保在EN引腳上的電壓爬升到其閾值之前有足夠的延遲時間（t2，t3）。

　　這種簡單、低成本的電源時序控制方法只占用很少的電路板面積，因此可用于多種應用。這種方法適合于成本是主要考慮因素、時序要求很簡單，且時序控制電路的精確性不是十分重要的系統。

　　但許多情況需要比RC延遲電路更高的精確性。此外，這種簡單的解決方案也不允許以結構化的方法處理故障（例如，一個5V電源失效最終將影響到其它電源軌）。

　　圖3 四路電源系統的基本分立式時序控制

　　利用IC進行時序控制

　　市場上有各種各樣的電源時序控制器。有些器件能夠直接實現電源模塊的輸出，并提供多種輸出配置。有些器件內置電荷泵電壓發生器，對于需要對更高電壓軌進行時序控制、卻又缺少高壓源（如12V電源軌）的低壓系統來說，這一點特別有用，能夠驅動N溝道FET的柵極。許多這類器件具有使能引腳，可以接受來自于按鈕開關或控制器的外部信號，以便在需要時重新啟動時序控制或關斷所控制的電壓軌。

　　圖4所示的是如何使用電源時序控制器 ADM6820和ADM1086精確且可靠地對系統中的電源軌進行時序控制。內部比較器檢測電壓軌何時會超過精密的設定電平，經過可編程的上電延遲之后，產生輸出，使線性穩壓器ADP120和ADP130能按照期望的時序工作。閾值通過電阻比值來設定，延遲通過電容來設定。

　　圖4 使用監控IC對四路電源系統進行時序控制

　　集成的電源系統管理

　　當今的復雜系統往往需要多達四路電壓，并需要對低壓內核電壓進行更精確的監控，還需要對電壓軌的上電與斷電時序進行監控。這些低壓需要被精確監控，然后以正確的時序上電和斷電，同時確保每個電壓軌之間正確的延時。例如，如果電源電壓下降到閾值以下或者打印機ASIC中的電源沒有正確的上電或斷電，那么器件的工作將會出現異常，可能導致數據丟失。

　　圖5 打印機應用中的上電與斷電時序

　　ADM1186系列產品在整個溫度范圍內提供±0.8%的電壓閾值監控精度，這對低電壓軌的監控至關重要。本文將在打印機應用的實例中說明這種監控，如圖5所示。ADM1186還利用數字內核實現了上電和斷電（順序相反）的時序控制，無需軟件支持。對于ADM1186-1來說，多個器件可通過級聯來對8、12、16路乃至更多的電源進行上電和斷電時序控制。通過專用的電容可編程時序引腳設置，能夠更容易且更精確的控制電源之間的延時，無需在電源軌監控引腳增加電容。利用這一靈活性，就可以獨立而精確的控制時序延時以及器件的故障響應時間。除了時序延時，ADM1186還提供可編程消隱延時，使設計人員可為電源設置最大時限，在啟動后將電源電壓提升到欠壓閾值之上。

　　四通道電壓監控器與電源時序控制器

　　表2 四通道電壓監控器與電源時序控制器

　　有些系統具有許多電源軌，采用這種使用大量IC，并利用電阻和電容來設置時序和閾值電平的分立解決方案會變得過于復雜、成本過高，且不能提供適當的性能。

　　具有八路電壓軌的系統會需要復雜的上電時序控制。每路電壓軌都要監控，以免出現欠壓或過壓故障。發生故障時，根據故障機制，需要關斷所有電源電壓，或初始化電源關斷時序。此外，必須根據控制信號的狀態采取相應措施，并根據電源的狀態產生標志位。如果使用分立器件和簡單的IC來實現如此復雜的電路，可能需要數以百計的器件，這將會占用很大的電路板空間，并耗費大量成本。

　　在具有四路或更多電源的系統中，使用集中式器件來管理電源比較可取。圖6所示的是采用這種方法的一個例子。

　　圖6 用于八路電源系統的集中式時序控制與監控解決方案

　　集中式監測和時序控制

　　ADM106x Super SequencerTM11系列產品使用比較器，但是有一些不同之處。每個輸入端都有兩個專用比較器，以實現欠壓和過壓檢測，這樣便可對DC/DC轉換器ADP1821和ADP2105以及LDO ADP1715所產生的電壓軌提供窗口監控。在電源上電之前，欠壓故障是正常的狀態，因此這個指示可用于時序控制。過壓狀態通常表示一種嚴重故障，如FET或電感器短路，必須立即采取行動。

　　通常，系統中包含的電源數量越多，系統就越復雜，因此精度限制也越嚴格。另外，在低壓狀態下，例如1.0V和0.9V，利用電阻來設定精確的閾值也變得很有挑戰性。雖然對于5V電源軌來說，可接受10%的容差，但對1V電源軌來說，這個容差是不能接受的。ADM1066在最壞情況下允許輸入檢測器比較器的閾值被設定在1%范圍內，而與電壓（低至0.6V）無關，并可工作在該器件允許的整個溫度范圍內。這可以增加每個比較器的內部毛刺濾波和遲滯。其邏輯輸入可用于啟動上電時序控制、關閉所有電源軌，或執行其它功能。

　　比較器的信息被送入功能強大和靈活的狀態機內核，這些信息具有以下幾種用途。

　　時序控制：當最近的使能電源的輸出電壓進入到窗口中時，時間延遲被觸發，以按照上電時序接通下一個電源軌?？赡苄枰哂卸嘀厣想娕c斷電時序，或具有差別較大的上電與斷電時序的復雜時序控制。

　　超時：如果已經使能的電源軌沒有按照預期上電，可以執行一套適當的應對措施（例如產生一個中斷信號或關閉系統）。相比之下，純模擬的解決方案只會令系統簡單地掛在時序中的那一點上。

　　監控：如果任一電源軌上的電壓超出了預設的窗口，可以根據發生故障的電源軌、故障類型和當前的工作模式，采取適當的應對措施。含有五路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。

　　即使系統中的最高電壓只有3V，仍然可以通過內置電荷泵產生大約12V的柵極驅動電壓，從而允許輸出能夠直接驅動串聯的N溝道FET。其它額外的輸出能夠使能或關斷DC/DC轉換器或穩壓器，使輸出內部上拉至其中一個輸入電壓或內置的穩壓電壓。輸出也可以被指定為開漏輸出。輸出可以用作狀態信號，如電源良好或上電復位。如果需要的話，狀態LED可以直接由輸出來驅動。

　　電源調整

　　除了能夠監控多路電壓軌并提供復雜的時序控制解決方案之外，ADM1066等集成電源管理器件還可以用于暫時或永久調整某些電壓軌電壓。通過調節器件上調整節點或反饋節點上的電壓，可以改變DC/DC轉換器或穩壓器的電壓輸出。一般來說，通過介于輸出與地之間的電阻分壓器，來調整/反饋引腳上設置的標稱電壓，從而設置標稱輸出電壓。通過切換反饋回路中的額外電阻或控制可變電阻的簡單方案，可以改變調整/反饋電壓，進而調節輸出電壓。

　　ADM1066具有DAC（數模轉換器），可以直接控制調整/反饋節點。為了實現最大的效率，這些DAC不會在地與最大電壓間工作，而是會以標稱的調整/反饋電平為中心點，在一個相當窄的窗口中工作。衰減電阻器的阻值可決定電源模塊輸出的遞增變化和DAC的每個LSB變化。這種開環調節方式提供了提升容限或降低容限的標準，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，而且可以將輸出調節到類似的精度。

　　ADM1066還包含一個用來測量電源電壓的12bit ADC（模數轉換器），以實現閉環電源電壓調節方案。通過給定的DAC輸出設置，電源模塊的電壓輸出可由ADC采集轉換，并利用軟件與所設定的目標電壓進行比較。這樣，便可調整DAC來校準電壓輸出，使其盡可能接近目標電壓。這個閉環方案提供了一個非常精確的電源調節方法。使用閉環方法時，與外部電阻的精度無關。在圖6中，DC/DC4的輸出電壓便是利用其中一個內置DAC來進行調整的。

　　這種電源調節方案有兩個主要應用。首先是電源容限的概念，也就是說，當電源處于規定的設備電源電壓范圍邊界時，測試系統對電源做出的反應。數據通信、電信、蜂窩電話基礎設施、服務器和存儲區域網絡設備等制造商在將其系統交付給終端客戶之前，必須進行嚴格的測試。系統中的所有電源電壓都應該在一定的容差范圍內工作（例如±5%、±10%）。通過確保正確運行所進行的測試，電源容限允許所有的內置電源被調節到容差范圍的上限和下限。具有電源調節能力的集中式電源管理器件，可用于進行這種容限測試，同時使得只需完成一次測試所需的額外器件最少、PCB面積最小——在制造商的測試地點進行容限測試期間。

　　通常需要進行全范圍測試，也就是，在設備的整個工作電壓范圍和整個溫度范圍內進行測試， ADM1062不僅集成了閉環電源容限電路，還集成了溫度檢測和回讀功能。

　　電源調節方案的第二個應用是補償工作現場的系統電源波動。造成電源波動的原因有許多種，就短期而言，當溫度改變時，電壓的輕微變化是十分常見的;就長期來說，某些器件參數可能會隨產品的長期使用而產生輕微的漂移，這也可能導致電壓的漂移。ADC及DAC環路可被周期性地激活（例如每10 s、30 s或60 s），再加上軟件校準環路，就可以使電壓保持在其應有的范圍內。

　　靈活性

　　ADM1066具有內置非易失性存儲器，在系統開發過程中，當時序控制與監控需求不斷發展時，可以根據需要進行多次重新編程，這意味著硬件設計可以在產品原型設計的初期完成，而監控和時序控制的優化可以隨著項目的進展來進行。

　　數字溫度和電壓測量等功能可以簡化并加速評估過程;容限工具則允許在開發過程中對電源電壓進行調節。因此，當關鍵的ASIC、FPGA或處理器也正處在開發階段，且由于推出新版本的芯片，引起電源電壓電平或時序需求不斷變化，可以通過軟件14 GUI（圖形用戶界面）來完成簡單的調節。在幾分鐘內對電源管理器件進行重新編程，將變化因素考慮進去，而無需對電路板上的器件進行物理級改變，也不會發生需要重新設計硬件等更糟的狀況。

　　Super Sequencer器件

　　表3 Super Sequencer器件

　　結論

　　電源軌數量的不斷增加和電源時序控制技術的興起以及更低電壓軌的發展趨勢，增加了許多類型的設備和系統，從筆記本電腦、個人計算機、機頂盒、汽車系統到服務器與存儲設備、蜂窩電話基站以及因特網路由器與交換機系統，對電源設計工程師的要求也隨之增加。隨著內核電壓的不斷下降，為了確保魯棒性與高可靠的運行，對這些電壓進行高精度監控的需求變得更加關鍵。更嚴格的測試程序、信息更新以及快速且簡單的編程能力也都受到關注，特別是中高擋系統。為了提升系統的魯棒性和可靠性，并加入這些至關重要的新特性，市面上已推出許多新的電源管理器，幫助用戶安全、有效地解決這些問題，同時減小電路板面積，并縮短產品上市時間。