多年来，随着系统内电源数量的增多，为了确保其安全、经济、耐用性和正常的工作，特别是在使用微处理器时，对电源进行监测和控制变得非常重要。确定电压源是超过临界值还是处于工作范围内，以及该电压相对于其他电压源是否按照正确的时序供电或断电，这些对于系统运行的可靠性和安全性来说都是至关重要的。

对于这个问题，有许多解决方案。例如，利用由精密电阻分压器、比较器和参考电压源组成的简单电路，就能够检测电压源上的电压是高于还是低于规定的位准。在重置产生器中，将这类元件与延迟元件结合在一起，能够使微处理器、ASIC（特定应用积体电路）以及DSP（数位信号处理器）等在供电时便处于重置模式，这种类型的监控适合于多种应用。

监控IC已经不纯然只负责简单的监控电压，现在监控多重电压的机会不断增加。例如，考虑一个常见的​​电源时序控制需求：FPGA（可程序控制阵列）制造商规定，在向元件提供5V I/O（输入/输出）电压之前，必须先施加3.3V的核心电压，并持续至少20ms，以避免元件上电时受到损坏。对于系统的可靠性来说，满足这样的排序要求就像要保证元件在规定的电源电压和温度范围内工作一样至关重要。

随着应用的发展，电源数量也在显著增加。一些复杂、昂贵的系统，如LAN（区域网路）交换机和蜂巢式电话基地台，线路卡通常会包含10路或更多电压源；即使是成本敏感的消费类系统，如电浆电视，也可能具有多达15路的独立电压源，其中许多电压源都需要进行监控和排序控制。

目前，许多高性能IC都需要多重电压。例如，提供独立的核心电压和I/O电压已成为许多元件的标准。在高阶系统中，每个DSP元件会需要多达四个独立的电源。而在更多情况下，单一系统中可能存在着大量的多电源元件，包括FPGA、ASIC、DSP、微处理器和微控制器（以及类比元件）。

系统中有许多元件都可以采用标准电源电压供电（如3.3V），而另一些元件可能需要专用电压。此外，某些标准电压可能还需要用到很多不同的地方。例如，有时会需要像3.3 VANALOG和3.3 VDIGITAL这样独立的类比电源和数位电源。为了提高效率（如记忆体电源的电流会达到数百安培）或满足时序要求（个别元件在不同时间需要3.3 VA以及3.3 VB），可能需要分开产生相同的电压。所有这些因素都导致电源数量的增加。

电压监控和时序控制有时会变得极为复杂，特别是当一个系统必须设计为能够支援上电时序控制和断电时序控制，并能够在工作期间的不同时间点上、对不同电源上的所有可能故障状况均产生多种回应时。中心电源管理控制器是解决这个难题的最佳方案。

《图一　基本的比较器低电压检测器，使用共同power-good输出于3个电源系统中》 资料来源：ADI

随着电源电压数量的增加，产生故障的机率也随之增加。其风险与电源数量、元件数量和系统复杂程度成正比，外部因素也会增加风险。例如，如果在初始设计阶段没有完整地定义出主ASIC的特性，那么电源设计工程师必须用硬连线实现电压监控临界值和时序控制，但这些都可能会随着ASIC技术指标的改变而产生变化。如果需求产生改变，那么PCB（印刷电路板）必须进行修改，这显然会影响开发进度和成本。另外，某些特定元件的电源电压技术指标可能会在开发过程中有所改变。在这种情况下，对于任何一个中心电源系统管理器来说，易于调整电源的方法将会是非常有用的。事实上，对这种系统的电压源进行监控、时序控制和调节时，弹性是非常重要的。

对选定的故障保护机制和时序控制的强固性进行评估是一件相当庞大的工作，因此，能够简化此一过程的元件将加速电路板的评估，并缩短上市时间。不论是在工作现场，还是从早期PCB开发到原型评估的各个设计阶段，故障记录以及数位化的电压和温度资料都是很有用的特性。

基本监控

图一所示的是利用一颗具有双极性输出、和±0.275％准确度的比较器和电压参考器来监控多重电压轨的简单方法。图例中检测器由于内建400mV高准确度参考电压，因此可以精确的监控非常低的电压，例如0.9V的电压源。其中，每路电压源都使用独立的电路。电阻分压器将电压源按比例降低，并为每一路电源设置一个低压保护点。所有的输出被连接在一起，产生共同的电源良好（power-good）信号。

由于采用更低电源电压新制程的发展加上旧有I/O电压的需求，近年来复杂系统中电压源的数量大幅增加。当需要监控多重电压源时，可以使用能分别监控两路或三路电压源的多电压监控器。某些元件还可以监控四路电压源，并可提供预调电压临界值，或提供4个高准确度（±0.8％）的可调输入信号，能够利用外部电阻分压器网路设置触发临界值。

更小的制程尺寸正在推动核心电压向更低的方向发展。通常在大电流情况下，必须有效地提供低电压，而且必须遵守严格的调节和暂态指标。低压时余量的不足可能会引起预想不到的元件行为。例如，如果电源电压下降到电信ASIC的临界值以下，晶片的工作会出现异常，可能导致正在发送的资讯被破坏或者资料遗失。随着核心电压的下降，对高准确度电压监控器的要求将更加苛刻，如图二所示。

《图二　高准确度监控器》 资料来源：ADI

在这个例子中，1V稳压电源实际的电压范围是0.97V～1.03V。微处理器可接受的核心电压是1V（±5％），即0.95V～1.05V。因此，低压监控范围为2％。而在应用上，需上元件的可调输入在整个温度范围内之准确度高达±0.8％，电阻分压器的准确度为±0.1％，这使得低压位准监控准确度范围能保持在2 ％以内。

基本时序控制

图三所示的是如何利用分离元件实现基本的时序控制，此处采用逻辑临界值而不是比较器。 12V和5V电源是由其他电路产生的。为了确保系统能够正确工作，必须引入一段时间延迟。这里是藉由使用RC（电阻电容）电路来缓慢升高与5V电源串联的N通道FET的闸级电压而实现的。所选用的RC值可确保FET在达到临界值电压并导通之前能获得足够的延迟时间。 3.3V和1.8V电源是由不同线性稳压器元件产生的。这些电压的供电时间也是利用RC来进行时序控制的。由于RC能驱动每个LDO的EN（关断）引脚，因此无需串联FET。选定的RC值要确保在EN引脚上的电压爬升到其临界值之前有足够的延迟时间（t2,t3）。

《图三　适用于四个电源系统的基本分离式时序控制电路》

这种简单、低成本的电源时序控制方法只占用很少的电路板面积，因此可用于多种应用。这种方法适合于成本是主要考虑因素、时序要求很简单，且时序控制电路的精确性不是十分重要的系统。

但许多情况需要比RC延迟电路更高的精确性。此外，这种简单的解决方案也不允许以结构化的方法处理故障（例如，一个5V电源失效最终将影响到其他电源）。

利用IC进行时序控制

市场上有各种各样的电源序时控制器。有些元件能够直接实现电源模组的输出，并提供多种输出配置。有些元件内建电荷泵电压产生器，对于需要对更高电压源进行时序控制、却又缺少高压源（如12V电源）的低压系统来说，这一点特别有用，能够驱动N通道FET的闸级。许多这类元件具有致能引脚，可以接受来自于按钮开关或控制器的外部信号，以便在需要时重新?动序时控制或关断所控制的电压源。

《图四　使用监控IC对四路电源系统进行时序控制》

图四所示的是如何使用电源时序控制器精确且可靠地对系统中的电源进行排序控制。内部比较器检测电压源何时会超过精密的设定位准，经过可编程的供电延迟之后，产生输出，使线性稳压器能按照期望的时序工作。临界值藉由电阻比值来设定，延迟藉由电容来设定。

整合型电源系统管理

当今的复杂系统往往需要多达四路电压，并需要对低压核心电压进行更精确的监控，还需要对电压源的供电与断电时序进行监控。这些低压需要被精确监控，然后以正确的时序供电和断电，同时确保每个电压源之间正确的时序延迟。例如，如果印表机ASIC中的电源电压下降到临界值以下或者电源没有正确的供电或断电，那么元件的工作将会出现异常，可能导致资料遗失。

《图五　印表机应用中的供电与断电时序》

ADM1186系列产品在整个温度范围内提供±0.8％的电压临界值监控准确度，这对低电压源的监控至关重要。本文将在印表机应用的实例中说明这种监控，如图五所示。该元件还利用数位核心实现了升压和降压（顺序相反）的时序控制，无需软体支援。至于多个元件可藉由8、12、16路乃至更多的电源进行供电和断电时序控制。藉由专用的电容可编程时序引脚设置，能够更容易且更精确的控制电源之间的延时，无需在电源监控引脚增加电容。利用此一弹性，就可以独立而精确的控制时序延时以及元件的故障回应时间。除了时序延时，此系列还提供可编程消隐时间延迟，使设计人员可为电源设置最大时限，在?动后将电源电压提升到低压临界值之上。

有些系统具有许多电源，采用这种使用大量IC，并利用电阻和电容来设置时序和临界值位准的分离解决方案会变得过于复杂、成本过高，且不能提供适当的性能。

具有八路电压源的系统会需要复杂的供电时序控制。每路电压源都要监控，以免出现低压或过压故障。产生故障时，根据故障机制，需要关断所有电源电压，或开始电源关断时序。此外，必须根据控制信号的状态采取相应措施，并根据电源的状态产生号志位元。如果使用分离元件和简单的IC来实现如此复杂的电路，可能需要数以百计的元件，这将会占用很大的电路板空间，并耗费大量成本。

在具有四路或更多电源的系统中，使用集中式元件来管理电源比较可取。图六所示的是采用这种方法的一个例子。

《图六　用于八路电源系统的集中式时序控制与监控解决方案》

集中式监测和时序控制

ADM106x Super Sequencer系列产品持续使用比较器，但是有一些重要的差异所在。每个输入端都有两个专用比较器，以实现低压和过压检测，这样便可对DC/DC转换器所产生的电压源提供视窗监控。在电源供电之前，欠压故障是正常的状态，因此这个指示可用于时序控制。过压状态通常表示一种严重故障，如FET或电感器短路，必须立即采取行动。

通常，系统中包含的电源数量越多，系统就越复杂，因此准确度限制也越严格。另外，在低压状态下，例如1.0V和0.9V，利用电阻来设定精确的临界值也变得很有挑战性。虽然对于5V电源来说，可接受10％的容差，但对1V电源来说，这个容差是不能接受的。在最坏情况下，允许输入检测器比较器的临界值被设定在1％范围内，而与电压（低至0.6V）无关，并可工作在该元件允许的整个温度范围内。这可以增加每个比较器的内部突波滤波和迟滞。其逻辑输入可用于?动供电时序控制、关闭所有电源，或执行其他功能。

比较器的资讯被送入功能强大和弹性的状态机器核心，这些资讯具有以下几种用途。

时序控制

当最近的致能（enabled）电源的输出电压进入到视窗中时，时间延迟被触发，以按照供电时序接通下一个电源。可能需要具有多重供电与断电时序，或具有差别较大的供电与断电时序的复杂时序控制。

过时

如果已经致能的电源没有按照预期供电，可以执行一套适当的应对措施（例如产生一个中断信号或关闭系统）。相比之下，纯类比的解决方案会令系统简单地悬在时序中的那一点上。

监控

如果任一电源上的电压超出了预设的视窗，可以根据产生故障的电源、故障类型和当前的工作模式，采取适当的应对措施。含有五路以上电源的系统通常都相当昂贵，因此全面的故障保护是极为重要的。

即使系统中的最高电压只有3V，仍然可以藉由内建电荷泵产生大约12V的闸级驱动电压，从而允许输出能够直接驱动串联的N通道FET。其他额外的输出能够致能或关断DC/DC转换器或稳压器，使输出内部上拉至其中一个输入电压或内建的稳压电压。输出也可以被指定为开集极输出。输出可以用作状态信号，如电源良好或供电重设 。如果需要的话，状态LED可以直接由输出来驱动。

电源调整

除了能够监控多重电压源并提供复杂的时序控制解决方案之外，整合型电源管理元件还可以用于暂时或永久调整某些电压源电压。藉由调节元件上调整节点或回授节点上的电压，可以改变DC/DC转换器或稳压器的电压输出。一般来说，藉由介于输出与地之间的电阻分压器，来调整/回授引脚上设置的标称电压，进而设置标称输出电压。藉由切换回授回路中的额外电阻或控制可变电阻的简单方案，可以改变调整/回授电压，进而调节输出电压。

这类电源管理元件具有DAC（数位类比转换器），可以直接控制调整/回授节点。为了实现最大的效率，这些DAC不会在地与最大电压间工作，而是会以标称的调整/回授位准为中心点，在一个相当窄的窗口中工作。衰减电阻器的阻值可决定电源模组输出的递增变化和DAC的每个LSB变化。这种开回路调节方式提供了提升容限或降低容限的标准，相当于那些利用参考电路中的数位电阻切换所获得的结果，而且可以将输出调节到类似的准确度。

本文例举的ADM1066还包含一个用来测量电源电压的12bit ADC（类比数位转换器），以实现封闭回路电源电压调节方案。藉由已知的DAC输出设置，电源模组的电压输出可由ADC数位化，并利用软体与所设定的目标电压进行比较。这样，便可调整DAC来校​​准电压输出，使其尽可能接近目标电压。这个封闭回路方案提供了一个非常精确的电源调节方法。使用封闭回路方法时，与外部电阻的准确度无关。在图六中，DC/DC4的输出电压便是利用其中一个内建DAC来进行调整的。

这种电源调节方案有两个主要应用。首先是电源容限的概念，也就是说，当电源处于规定的设备电源电压范围边界时，测试系统对电源做出的反应。数据通讯、电信、蜂巢式电话基础建设、伺服器和储存区域网路设备等制造商在将其系统交付给终端客户之前，必须进行严格的测试。系统中的所有电源电压都应该在一定的误差范围内工作（例如±5％、±10％）。藉由确保正确运行所进行的测试，电源容限允许所有的内建电源被调节到误差范围的上限和下限。具有电源调节能力的集中式电源管理元件，可用于进行这种容限测试，同时使得只需完成一次测试所需的额外元件最少、PCB面积最小，在制造商的测试地点进行容限测试期间。

通常需要进行全范围测试，也就是，在设备的整个工作电压范围和整个温度范围内进行测试，因此不仅必须整合封闭回路电源容限电路，还需整合了温度检测和回读功能。

电源调节方案的第二个应用是补偿工作现场的系统电源变动。造成电源变动的原因有许多种，就短期而言，当温度改变时，电压的轻微变化是十分常见的；就长期来说，某些元件参数可能会随产品的长期使用而产生轻微的漂移，这也可能导致电压的漂移。 ADC及DAC回路可被周期性地启动（例如每10 s、30 s或60 s），再加上软体校准回路，就可以使电压保持在其应有的范围内。

弹性

内建非挥发性记忆体的元件在系统开发过程中，当时序控制与监控需求不断发展时，可以根据需要进行多次重新编程，这意味着硬体设计可以在产品原型设计的初期完成，而监控和​​时序控制的优化可以随着专案的进展来进行。

数位温度和电压测量等功能可以简化并加速评估过程；容限工具则允许在开发过程中对电源电压进行调节。因此，当关键的ASIC、FPGA或处理器也正处在开发阶段，且由于推出新版本的晶片，引起电源电压位准或时序需求不断变化，可以藉由软体GUI（图形用户介面）来完成简单的调节。在几分钟内对电源管理元件进行重新编程，将变化因素考虑进去，而无需对电路板上的元件进行物理级改变，也不会产生需要重新设计硬体等更糟的状况。

结语

电源轨数量的不断增加和电源时序控制技术的兴起，以及朝向低电压轨发展的趋势，增加了许多类型的装置和系统，从笔记型电脑、个人电脑、机上盒、汽车系统到伺服器与储存设备、蜂巢式电话基地台以及网际网路路由器与交换机系统等，对电源设计工程师的要求也随之增加。随着核心电压的不断下降，为了确保坚固与高可靠的运作，对这些电压进行高准确度监控的需求变得更加关键。更严格的测试程式、资讯更新以及快速且简单的编程能力也都受到关注，特别是中高阶系统。为了提升系统的坚固性和可靠性，并加入这些至关重要的新特性，市面上已推出许多新的电源管理器，帮助用户安全、有效地解决这些问题，同时减小电路板面积，并缩短产品上市时间。

---作者任职于ADI美商亚德诺、联络方式：alan.moloney@analog.com---