多年來，隨著系統內電源數量的增多，為了確保其安全、經濟、耐用性和正常的工作，特別是在使用微處理器時，對電源進行監測和控制變得非常重要。確定電壓源是超過臨界值還是處於工作範圍內，以及該電壓相對於其他電壓源是否按照正確的時序供電或斷電，這些對於系統運行的可靠性和安全性來說都是至關重要的。

對於這個問題，有許多解決方案。例如，利用由精密電阻分壓器、比較器和參考電壓源組成的簡單電路，就能夠檢測電壓源上的電壓是高於還是低於規定的位準。在重置產生器中，將這類元件與延遲元件結合在一起，能夠使微處理器、ASIC（特定應用積體電路）以及DSP（數位信號處理器）等在供電時便處於重置模式，這種類型的監控適合於多種應用。

監控IC已經不純然只負責簡單的監控電壓，現在監控多重電壓的機會不斷增加。例如，考慮一個常見的電源時序控制需求：FPGA（可程序控制陣列）製造商規定，在向元件提供5V I/O（輸入/輸出）電壓之前，必須先施加3.3V的核心電壓，並持續至少20ms，以避免元件上電時受到損壞。對於系統的可靠性來說，滿足這樣的排序要求就像要保證元件在規定的電源電壓和溫度範圍內工作一樣至關重要。

隨著應用的發展，電源數量也在顯著增加。一些複雜、昂貴的系統，如LAN（區域網路）交換機和蜂巢式電話基地台，線路卡通常會包含10路或更多電壓源；即使是成本敏感的消費類系統，如電漿電視，也可能具有多達15路的獨立電壓源，其中許多電壓源都需要進行監控和排序控制。

目前，許多高性能IC都需要多重電壓。例如，提供獨立的核心電壓和I/O電壓已成為許多元件的標準。在高階系統中，每個DSP元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元件，包括FPGA、ASIC、DSP、微處理器和微控制器（以及類比元件）。

系統中有許多元件都可以採用標準電源電壓供電（如3.3V），而另一些元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這樣獨立的類比電源和數位電源。為了提高效率（如記憶體電源的電流會達到數百安培）或滿足時序要求（個別元件在不同時間需要3.3 VA以及3.3 VB），可能需要分開產生相同的電壓。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複雜，特別是當一個系統必須設計為能夠支援上電時序控制和斷電時序控制，並能夠在工作期間的不同時間點上、對不同電源上的所有可能故障狀況均產生多種回應時。中心電源管理控制器是解決這個難題的最佳方案。

《圖一　基本的比較器低電壓檢測器，使用共同power-good輸出於3個電源系統中》 資料來源：ADI

隨著電源電壓數量的增加，產生故障的機率也隨之增加。其風險與電源數量、元件數量和系統複雜程度成正比，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，那麼電源設計工程師必須用硬連線實現電壓監控臨界值和時序控制，但這些都可能會隨著ASIC技術指標的改變而產生變化。如果需求產生改變，那麼PCB（印刷電路板）必須進行修改，這顯然會影響開發進度和成本。另外，某些特定元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，對於任何一個中心電源系統管理器來說，易於調整電源的方法將會是非常有用的。事實上，對這種系統的電壓源進行監控、時序控制和調節時，彈性是非常重要的。

對選定的故障保護機制和時序控制的強固性進行評估是一件相當龐大的工作，因此，能夠簡化此一過程的元件將加速電路板的評估，並縮短上市時間。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，故障記錄以及數位化的電壓和溫度資料都是很有用的特性。

基本監控

圖一所示的是利用一顆具有雙極性輸出、和±0.275％準確度的比較器和電壓參考器來監控多重電壓軌的簡單方法。圖例中檢測器由於內建400mV高準確度參考電壓，因此可以精確的監控非常低的電壓，例如0.9V的電壓源。其中，每路電壓源都使用獨立的電路。電阻分壓器將電壓源按比例降低，並為每一路電源設置一個低壓保護點。所有的輸出被連接在一起，產生共同的電源良好（power-good）信號。

由於採用更低電源電壓新製程的發展加上舊有I/O電壓的需求，近年來複雜系統中電壓源的數量大幅增加。當需要監控多重電壓源時，可以使用能分別監控兩路或三路電壓源的多電壓監控器。某些元件還可以監控四路電壓源，並可提供預調電壓臨界值，或提供4個高準確度（±0.8％）的可調輸入信號，能夠利用外部電阻分壓器網路設置觸發臨界值。

更小的製程尺寸正在推動核心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暫態指標。低壓時餘量的不足可能會引起預想不到的元件行為。例如，如果電源電壓下降到電信ASIC的臨界值以下，晶片的工作會出現異常，可能導致正在發送的資訊被破壞或者資料遺失。隨著核心電壓的下降，對高準確度電壓監控器的要求將更加苛刻，如圖二所示。

《圖二　高準確度監控器》 資料來源：ADI

在這個例子中，1V穩壓電源實際的電壓範圍是0.97V～1.03V。微處理器可接受的核心電壓是1V（±5％），即0.95V～1.05V。因此，低壓監控範圍為2％。而在應用上，需上元件的可調輸入在整個溫度範圍內之準確度高達±0.8％，電阻分壓器的準確度為±0.1％，這使得低壓位準監控準確度範圍能保持在2％以內。

基本時序控制

圖三所示的是如何利用分離元件實現基本的時序控制，此處採用邏輯臨界值而不是比較器。12V和5V電源是由其他電路產生的。為了確保系統能夠正確工作，必須引入一段時間延遲。這裡是藉由使用RC（電阻電容）電路來緩慢升高與5V電源串聯的N通道FET的閘級電壓而實現的。所選用的RC值可確保FET在達到臨界值電壓並導通之前能獲得足夠的延遲時間。3.3V和1.8V電源是由不同線性穩壓器元件產生的。這些電壓的供電時間也是利用RC來進行時序控制的。由於RC能驅動每個LDO的EN（關斷）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臨界值之前有足夠的延遲時間（t2,t3）。

《圖三　適用於四個電源系統的基本分離式時序控制電路》

這種簡單、低成本的電源時序控制方法只佔用很少的電路板面積，因此可用於多種應用。這種方法適合於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他電源）。

利用IC進行時序控制

市場上有各種各樣的電源序時控制器。有些元件能夠直接實現電源模組的輸出，並提供多種輸出配置。有些元件內建電荷泵電壓產生器，對於需要對更高電壓源進行時序控制、卻又缺少高壓源（如12V電源）的低壓系統來說，這一點特別有用，能夠驅動N通道FET的閘級。許多這類元件具有致能引腳，可以接受來自於按鈕開關或控制器的外部信號，以便在需要時重新?動序時控制或關斷所控制的電壓源。

《圖四　使用監控IC對四路電源系統進行時序控制》

圖四所示的是如何使用電源時序控制器精確且可靠地對系統中的電源進行排序控制。內部比較器檢測電壓源何時會超過精密的設定位準，經過可編程的供電延遲之後，產生輸出，使線性穩壓器能按照期望的時序工作。臨界值藉由電阻比值來設定，延遲藉由電容來設定。

整合型電源系統管理

當今的複雜系統往往需要多達四路電壓，並需要對低壓核心電壓進行更精確的監控，還需要對電壓源的供電與斷電時序進行監控。這些低壓需要被精確監控，然後以正確的時序供電和斷電，同時確保每個電壓源之間正確的時序延遲。例如，如果印表機ASIC中的電源電壓下降到臨界值以下或者電源沒有正確的供電或斷電，那麼元件的工作將會出現異常，可能導致資料遺失。

《圖五　印表機應用中的供電與斷電時序》

ADM1186系列產品在整個溫度範圍內提供±0.8％的電壓臨界值監控準確度，這對低電壓源的監控至關重要。本文將在印表機應用的實例中說明這種監控，如圖五所示。該元件還利用數位核心實現了升壓和降壓（順序相反）的時序控制，無需軟體支援。至於多個元件可藉由8、12、16路乃至更多的電源進行供電和斷電時序控制。藉由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，無需在電源監控引腳增加電容。利用此一彈性，就可以獨立而精確的控制時序延時以及元件的故障回應時間。除了時序延時，此系列還提供可編程消隱時間延遲，使設計人員可為電源設置最大時限，在?動後將電源電壓提升到低壓臨界值之上。

有些系統具有許多電源，採用這種使用大量IC，並利用電阻和電容來設置時序和臨界值位準的分離解決方案會變得過於複雜、成本過高，且不能提供適當的性能。

具有八路電壓源的系統會需要複雜的供電時序控制。每路電壓源都要監控，以免出現低壓或過壓故障。產生故障時，根據故障機制，需要關斷所有電源電壓，或開始電源關斷時序。此外，必須根據控制信號的狀態採取相應措施，並根據電源的狀態產生號誌位元。如果使用分離元件和簡單的IC來實現如此複雜的電路，可能需要數以百計的元件，這將會佔用很大的電路板空間，並耗費大量成本。

在具有四路或更多電源的系統中，使用集中式元件來管理電源比較可取。圖六所示的是採用這種方法的一個例子。

《圖六　用於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 Sequencer系列產品持續使用比較器，但是有一些重要的差異所在。每個輸入端都有兩個專用比較器，以實現低壓和過壓檢測，這樣便可對DC/DC轉換器所產生的電壓源提供視窗監控。在電源供電之前，欠壓故障是正常的狀態，因此這個指示可用於時序控制。過壓狀態通常表示一種嚴重故障，如FET或電感器短路，必須立即採取行動。

通常，系統中包含的電源數量越多，系統就越複雜，因此準確度限制也越嚴格。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臨界值也變得很有挑戰性。雖然對於5V電源來說，可接受10％的容差，但對1V電源來說，這個容差是不能接受的。在最壞情況下，允許輸入檢測器比較器的臨界值被設定在1％範圍內，而與電壓（低至0.6V）無關，並可工作在該元件允許的整個溫度範圍內。這可以增加每個比較器的內部突波濾波和遲滯。其邏輯輸入可用於?動供電時序控制、關閉所有電源，或執行其他功能。

比較器的資訊被送入功能強大和彈性的狀態機器核心，這些資訊具有以下幾種用途。

時序控制

當最近的致能（enabled）電源的輸出電壓進入到視窗中時，時間延遲被觸發，以按照供電時序接通下一個電源。可能需要具有多重供電與斷電時序，或具有差別較大的供電與斷電時序的複雜時序控制。

過時

如果已經致能的電源沒有按照預期供電，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，純類比的解決方案會令系統簡單地懸在時序中的那一點上。

監控

如果任一電源上的電壓超出了預設的視窗，可以根據產生故障的電源、故障類型和當前的工作模式，採取適當的應對措施。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，仍然可以藉由內建電荷泵產生大約12V的閘級驅動電壓，從而允許輸出能夠直接驅動串聯的N通道FET。其他額外的輸出能夠致能或關斷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建的穩壓電壓。輸出也可以被指定為開集極輸出。輸出可以用作狀態信號，如電源良好或供電重設 。如果需要的話，狀態LED可以直接由輸出來驅動。

電源調整

除了能夠監控多重電壓源並提供複雜的時序控制解決方案之外，整合型電源管理元件還可以用於暫時或永久調整某些電壓源電壓。藉由調節元件上調整節點或回授節點上的電壓，可以改變DC/DC轉換器或穩壓器的電壓輸出。一般來說，藉由介於輸出與地之間的電阻分壓器，來調整/回授引腳上設置的標稱電壓，進而設置標稱輸出電壓。藉由切換回授迴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/回授電壓，進而調節輸出電壓。

這類電源管理元件具有DAC（數位類比轉換器），可以直接控制調整/回授節點。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/回授位準為中心點，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組輸出的遞增變化和DAC的每個LSB變化。這種開迴路調節方式提供了提升容限或降低容限的標準，相當於那些利用參考電路中的數位電阻切換所獲得的結果，而且可以將輸出調節到類似的準確度。

本文例舉的ADM1066還包含一個用來測量電源電壓的12bit ADC（類比數位轉換器），以實現封閉迴路電源電壓調節方案。藉由已知的DAC輸出設置，電源模組的電壓輸出可由ADC數位化，並利用軟體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。這個封閉迴路方案提供了一個非常精確的電源調節方法。使用封閉迴路方法時，與外部電阻的準確度無關。在圖六中，DC/DC4的輸出電壓便是利用其中一個內建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，當電源處於規定的設備電源電壓範圍邊界時，測試系統對電源做出的反應。數據通訊、電信、蜂巢式電話基礎建設、伺服器和儲存區域網路設備等製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誤差範圍內工作（例如±5％、±10％）。藉由確保正確運行所進行的測試，電源容限允許所有的內建電源被調節到誤差範圍的上限和下限。具有電源調節能力的集中式電源管理元件，可用於進行這種容限測試，同時使得只需完成一次測試所需的額外元件最少、PCB面積最小，在製造商的測試地點進行容限測試期間。

通常需要進行全範圍測試，也就是，在設備的整個工作電壓範圍和整個溫度範圍內進行測試，因此不僅必須整合封閉迴路電源容限電路，還需整合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變動。造成電源變動的原因有許多種，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，某些元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迴路可被周期性地啟動（例如每10 s、30 s或60 s），再加上軟體校準迴路，就可以使電壓保持在其應有的範圍內。

彈性

內建非揮發性記憶體的元件在系統開發過程中，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，這意味著硬體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專案的進展來進行。

數位溫度和電壓測量等功能可以簡化並加速評估過程；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，且由於推出新版本的晶片，引起電源電壓位準或時序需求不斷變化，可以藉由軟體GUI（圖形用戶介面）來完成簡單的調節。在幾分鐘內對電源管理元件進行重新編程，將變化因素考慮進去，而無需對電路板上的元件進行物理級改變，也不會產生需要重新設計硬體等更糟的狀況。

結語

電源軌數量的不斷增加和電源時序控制技術的興起，以及朝向低電壓軌發展的趨勢，增加了許多類型的裝置和系統，從筆記型電腦、個人電腦、機上盒、汽車系統到伺服器與儲存設備、蜂巢式電話基地台以及網際網路路由器與交換機系統等，對電源設計工程師的要求也隨之增加。隨著核心電壓的不斷下降，為了確保堅固與高可靠的運作，對這些電壓進行高準確度監控的需求變得更加關鍵。更嚴格的測試程式、資訊更新以及快速且簡單的編程能力也都受到關注，特別是中高階系統。為了提升系統的堅固性和可靠性，並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，並縮短產品上市時間。

---作者任職於ADI美商亞德諾、聯絡方式：alan.moloney@analog.com---