AN-1311: 轻松实现复杂的电源时序控制 (Rev. 0)

AN-1311
应用笔记
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轻松实现复杂的电源时序控制
作者:Jess Espiritu
简介
微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器
为精确和灵活的时序控制这类应用更有帮助。
(DSP)、模数转换器(ADC)以及以多个电压轨供电的其他器
图1所示的应用要求使用多个供电轨。这些供电轨分别为
件都需要电源时序控制。这些应用通常要求,内核和模拟
内核电源(VCCINT)、I/O电源(VCCO)、辅助电源(VCCAUX)和系
模块在数字输入/输出(I/O)轨之前上电,不过有些设计可能
统存储器电源。
要求采用其他序列。正确的上电和关断时序控制可以防止
例如,Xilinx® Spartan-3A FPGA集成了上电复位电路,该电
闩锁引起的即刻损坏和静电放电(ESD)引起的长期损坏。
路确保在所有电源均达到阈值之后,才允许对器件进行配
另外,对电源实施时序控制还可在上电期间错开浪涌电
置。上电复位电路降低了对电源时序控制的严格要求;但
流,在采用限流电源供电的应用中,这一特性特别有用。
是,为了尽量降低浪涌电流水平,同时考虑连接到FPGA
本应用笔记探讨采用分立式元件对电源进行时序控制的优
的电路的时序控制要求,必须按以下序列给供电轨上电:
缺点,同时还将描述利用ADP5134的内部精密使能引脚实
先是VCCINT,然后是VCCAUX,最后是VCCO。请注意,有些应
现时序控制的一种简单而有效的方法。ADP5134将2个1.2 A
用要求遵循特定序列;因此,请务必参看相关数据手册的
降压调节器与2个300 mA低压差(LDO)调节器结合起来。本
电源要求部分。
应用笔记同时还将描述一些序列器IC,它们可能对要求更
VIN1
REG1
ON/OFF
VIN2
EN2
REG2
VOUT2
FPGA
SPARTAN 3x
CYCLONE III
CYCLONE IV
VIN3
REG3
VOUT3
EN3
VIN4
VOUT4
EN4
REG4
图1. 处理器和FPGA的典型供电方法
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12403-001
+VIN
VOUT1
EN1
AN-1311
目录
简介...................................................................................................... 1
利用电阻分压器实现简单的电源时序控制................................ 5
修订历史 ............................................................................................. 2
序列器IC提高时序精度................................................................... 6
利用无源延迟网络实现简单的电源时序控制 ........................... 3
结论...................................................................................................... 6
精密使能引脚简化时序控制.......................................................... 4
参考文献 ............................................................................................. 6
修订历史
2014年8月—修订版0:初始版
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AN-1311
利用无源延迟网络实现简单的电源时序控制
这种方法可以用于不要求进行精密时序控制的应用。只需
对电源实施时序控制的一种简单办法是用无源元件延迟进
延迟信号的应用可能只需要外部电阻和电容。在标准调节
入调节器使能引脚的信号,此类无源元件包括电阻、电
器中使用这种方法的劣势在于,使能引脚的逻辑阈值可能
容、二极管等,如图2所示。当开关闭合时,D1导通,D2
随电压和温度而大幅变化。另外,电压斜坡中的延迟取决
断开。C1充电,EN2的电压以取决于R1和C1的速率上升。
于电阻和电容的值和容差。在–55°C至+85°C的温度范围
当开关断开时,C1通过R2、D2和RPULL放电至地。EN2的电
内,典型X5R电容的变化幅度约为±15%,而受直流偏置效
压以取决于R2、R PULL 和C1的速率下降。改变R1和R2的
应影响,变化幅度还会增加±10%,这个偏差会使时序失去
值,将改变充电和放电时间,从而设定调节器的开启和关
准确性,有时还会变得不可靠。
闭时间。
VIN1
VOUT1
REG1
EN1
+VIN
VIN2
R1 D1
EN2
VOUT2
REG2
FPGA
SPARTAN 3x
CYCLONE III
CYCLONE IV
ON/OFF
C1
D2 R2
R3 D3
VIN3
VOUT3
REG3
EN3
C2
D4 R4
MEMORY
REG4
(EXT)
RPULL
VOUT4
COMPARATOR
OR SUPERVISOR
图2. 利用电阻、电容和二极管实现的简单电源时序控制方法
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12403-002
+VREF
AN-1311
密基准电压源克服了这个问题,同时还可大幅节省成本和
减少印刷电路板(PCB)面积。每个调节器都有一个单独的
使能输入引脚。
当使能输入引脚的电压升至ENx引脚上升阈值(VIH_EN [0.9 V
最小值])以上时,器件退出关断模式,管理模块开启,但
不会激活调节器。器件将使能输入引脚的电压与一个精密
内部基准电压(典型值为0.97 V)进行比较。当使能引脚的电
0.99
0.98
0.97
0.96
0.95
0.94
–40
压升至精密使能阈值以上时,调节器激活,输出电压开始
当使能输入引脚的电压下降到比基准电压低80 mV(典型值)
时,调节器停用。当所有使能输入引脚的电压都降至ENx
下降阈值(VIL_EN [0.35 V最大值])以下时,器件进入关断模式。
在该模式下,功耗降至1 µA以下。图3和图4展示了ADP5134
精密使能阈值在整个温度范围内针对BUCK1的精度。
PRECISION ENABLE TURN-OFF THRESHOLD (V)
决了使用分立式元件时存在的问题。
125
图3. 整个温度范围内的精密使能开启阈值(10个样本)
上升。在输入电压和温度转折点,基准电压源变化幅度只
有±3%。这么小的变化范围确保了时序控制的精确性,解
25
85
TEMPERATURE (°C)
12403-003
要求采用一个外部基准电压源。ADP5134通过集成一个精
0.92
0.91
0.90
0.89
0.88
0.87
0.86
–40
25
85
TEMPERATURE (°C)
125
图4. 整个温度范围内的精密使能关闭阈值(10个样本)
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12403-004
为了实现精密时序控制所需的稳定阈值水平,多数调节器
PRECISION ENABLE TURN-ON THRESHOLD (V)
1.00
精密使能引脚简化时序控制
AN-1311
利用分阻器实现简单的电源时序控制
VVOUT1
通过将一个调节器经过衰减的输出连接到下一个要上电的
调节器的使能引脚,可以对多通道电源进行时序控制,如
VVOUT2
图5所示,其中,调节器按顺序开启或关闭:从BUCK1到
1
BUCK2,再到LDO1,最后到LDO2。图6显示了在将EN1
连接到VIN1之后的上电序列。图7所示为在将EN1从VIN1
VVOUT3
断开后的关断序列。
EN1
BUCK1
VIN2
EN2
BUCK2
VIN3
EN3
2
VOUT2
VOUT3
LDO1
VIN4
EN4
VVOUT4
VOUT1
VOUT4
LDO2
CH1 2.00V
CH3 2.00V
FPGA
SPARTAN 3x
CYCLONE III
CYCLONE IV
CH2 2.00V
CH4 2.00V
M400µs
A CH1
T
1.52400ms
560mV
12403-006
ON/OFF
ADP5134
720mV
12403-007
VIN1
图6. ADP5134启动序列
VVOUT1
PG
VP1
VP3
GPIN
VP2
1
VVOUT2
VDDIO
VIN
EN
VVOUT3
REG5
(EXT)
VOUT5
MEMORY
12403-005
+VIN
VVOUT4
图5. 利用ADP5134实现的简单时序控制
2
CH1 2.00V
CH3 2.00V
CH2 2.00V
CH4 2.00V
M400µs
A CH1
T
1.19840ms
图7. ADP5134关断序列
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AN-1311
序列器IC提高时序精度
结论
在某些情况下,实现精密时序比减少PCB面积、节省成本
利用ADP5134精密使能输入引脚进行时序控制非常简单,
更重要。对于这类应用,可以使用电压监控和序列器IC,
实现起来也很方便,每个通道只需要2个外部电阻即可。
如ADM1184四通道电压监控器,后者在电压和温度范围内
借助ADM1184或ADM1186电压监控器,可以实现更加精
的精度达±0.8%。另一种选择是带可编程时序的ADM1186
确的时序控制。
四通道电压序列器和监控器;该器件可用于要求对上电和
参考文献
关断序列进行更精准控制的应用。
Augusta, Chris and Martin Murnane. AN-932 Application Note.
例如,ADP5034 4通道调节器集成了2个3 MHz、1200 mA降
Power Supply Sequencing. Analog Devices, Inc., 2008.
压调节器和2个300 mA LDO。可以利用ADM1184实现典型
Xilinx DS529 Spartan-3A FPGA Family Data Sheet.Xilinx, Inc.,
的时序控制功能,用于监控一个调节器的输出电压,并在
2010.
受监控的输出电压达到某个水平时,向下一个调节器的使
另外,请参阅电源管理页面和电源管理/时序控制页面,了
能引脚提供一个逻辑高信号。如图8所示,这种方法可用
解更多信息。
于不提供精密使能功能的调节器。
ADP5034
VIN1
ON/OFF
VOUT1
EN1
BUCK1
VIN2
BUCK2
EN2
VIN3
LDO1
EN3
VIN4
LDO2
EN4
VOUT2
VOUT3
VOUT4
VOUT1
VIN1
VOUT2
VIN2
VOUT3
ADM1184
PWGRD
FPGA
SPARTAN 3x
CYCLONE III
CYCLONE IV
GPIN
VIN3
VIN4
VIN
EN
REG5
(EXT)
VOUT5
MEMORY
12403-008
+VIN
图8. 利用ADM1184四通道电压监控器对ADP5034 4通道调节器进行时序控制
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