【導(dǎo)讀】隨著通信、醫(yī)療和工業(yè)設(shè)備的總體尺寸不斷縮小，電源管理設(shè)計變得越來越重要。本文討論高度集成的全新電源管理解決方案的應(yīng)用，這些新器件為RF系統(tǒng)、FPGA和處理器供電所帶來的優(yōu)勢，以及有助于設(shè)計人員快速實(shí)現(xiàn)新設(shè)計的設(shè)計工具。
在通信基礎(chǔ)設(shè)施中，毫微微蜂窩和微微蜂窩的興起推動基站向更小型化方向發(fā)展，這對數(shù)字基帶、存儲器、RF收發(fā)器和功率放大器的供電提出了復(fù)雜要求，必須在最小的面積中提供最高的功率密度，如圖1所示。典型的小蜂窩系統(tǒng)需要密度非常高的電源，它能以快速瞬變響應(yīng)輸送大電流以便為數(shù)字基帶供電，同時利用低噪聲、低壓差調(diào)節(jié)器(LDO)為AD9361RF捷變收發(fā)™、溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)和其他噪聲關(guān)鍵電源軌供電。將開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率設(shè)置到關(guān)鍵RF頻段以外可降低噪聲，并且同步開關(guān)穩(wěn)壓器可確保拍頻不影響RF性能。降低數(shù)字基帶的內(nèi)核電壓(VCORE)可將低功耗模式的功耗降至最低，電源時序控制則可確保數(shù)字基帶在RF收發(fā)器使能之前上電并運(yùn)行。數(shù)字基帶與電源管理之間的I2C接口允許改變降壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓。為提高可靠性，電源管理系統(tǒng)可以監(jiān)控其自身的輸入電壓和芯片溫度，向基帶處理器報告任何故障。
圖1. 小型基站需要多種電源
同樣，醫(yī)療和儀器設(shè)備（如便攜式超聲設(shè)備和手持式儀器）的趨勢也是尺寸越來越小，要求在更小的面積上以更有效的方式為FPGA、處理器和存儲器供電，如圖2所示。典型的FPGA和存儲器設(shè)計需要密度非常高的電源，它能以快速瞬變響應(yīng)輸送大電流以便為內(nèi)核和I/O電源軌供電，同時通過低噪聲軌為鎖相環(huán)(PLL)等片內(nèi)模擬電路供電。電源時序至關(guān)重要，應(yīng)確保FPGA在存儲器使能之前上電并運(yùn)行。帶精密使能輸入和專用電源良好輸出的穩(wěn)壓器支持電源時序控制和故障監(jiān)控。電源設(shè)計師通常希望將同一電源IC用在不同應(yīng)用中，因此，必須能夠改變電流限值。這種設(shè)計重用可大幅縮短產(chǎn)品上市時間——任何新產(chǎn)品開發(fā)流程中的關(guān)鍵要素之一。
圖2. 為基于FPGA的系統(tǒng)供電
考慮具有1路12 V輸入和5路輸出的FPGA的多軌電源管理常見設(shè)計規(guī)格：
● 內(nèi)核電軌：1.2 V (4 A)
● 輔助電軌：1.8 V (4 A)
● I/O電軌：3.3 V (1.2 A)
● DDR存儲器電軌：1.5 V (1.2 A)
● 時鐘電軌：1.0 V (200 mA)
典型的分立方案如圖3a所示，4個開關(guān)穩(wěn)壓器連接到12 V輸入軌。一個開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出預(yù)調(diào)節(jié)LDO以降低功耗。另一種方法如圖3b所示，使用一個穩(wěn)壓器將12 V輸入降壓至5 V中間軌，然后再經(jīng)調(diào)節(jié)以產(chǎn)生所需的各個電壓。該方案的成本較低，但由于采用兩級電源轉(zhuǎn)換，效率也較低。在以上兩種方案中，各穩(wěn)壓器都必須獨(dú)立使能，因此，可能需要一個專用電源時序控制器來控制電源的時序。噪聲可能也是一個問題，除非所有開關(guān)穩(wěn)壓器都能同步以降低拍頻。
圖3. (a) 分立穩(wěn)壓器設(shè)計，(b) 備選分立穩(wěn)壓器設(shè)計
集成解決方案實(shí)現(xiàn)高效率、小尺寸
將多個降壓調(diào)節(jié)器和LDO集成到單個封裝中，可顯著縮小電源管理設(shè)計的總體尺寸。此外，與傳統(tǒng)分立方案相比，智能型集成解決方案具有許多優(yōu)勢。減少分立元件數(shù)目可大幅降低設(shè)計的成本、復(fù)雜度和制造成本。集成電源管理單元(PMU)ADP5050 和 ADP5052可在單個IC中實(shí)現(xiàn)所有這些電壓和功能，所用PCB面積和元件大幅減少。
為了最大程度地提高效率，去除預(yù)調(diào)節(jié)器級，各降壓調(diào)節(jié)器均直接從12 V電壓供電（類似于圖3a）。降壓調(diào)節(jié)器1和2具有可編程電流限值（4 A、2.5 A或1.2 A），因此電源設(shè)計師可以快速輕松地為新設(shè)計改變電流，大大縮短開發(fā)時間。LDO可從1.7 V至5.5 V電源供電。在本例中，其中一個降壓調(diào)節(jié)器的1.8 V輸出為LDO供電，提供低噪聲1 V電源軌用于噪聲敏感的模擬電路。
開關(guān)頻率fSW由電阻RRT設(shè)置，范圍是250 kHz到1.4 MHz。靈活的開關(guān)頻率范圍使得電源設(shè)計師可以優(yōu)化設(shè)計，降低頻率以實(shí)現(xiàn)最高效率，或者提高頻率以實(shí)現(xiàn)最小的總體尺寸。圖4顯示了fSW 與 RRT之間的關(guān)系。RRT的值可通過下式計算：
RRT = (14822/fSW)1.081，R的單位為kΩ，f的單位為kHz。
圖4. 開關(guān)頻率與RRT的關(guān)系
某些設(shè)計中，兩者都很重要：對較高電流軌使用較低的開關(guān)頻率以提供最高電源效率，對較低電流軌使用較高的開關(guān)頻率以縮小電感尺寸和實(shí)現(xiàn)最小的PCB面積。ADP5050的主開關(guān)頻率具有二分頻選項，能夠以兩種頻率工作，如圖5所示。降壓調(diào)節(jié)器1和3的開關(guān)頻率可通過I2C端口設(shè)置為主開關(guān)頻率的一半。
圖5. ADP5050對高電流軌使用低開關(guān)頻率以提高效率，對低電流軌使用高開關(guān)頻率以縮小電感尺寸
電源時序控制
如圖6所示，ADP5050和ADP5052通過四個特性來簡化使用FPGA和處理器的應(yīng)用的電源時序控制：精密使能輸入、可編程軟啟動、電源良好輸出和有源輸出放電開關(guān)。
精密使能輸入: 每個穩(wěn)壓器，包括LDO在內(nèi)，都有一個帶0.8 V精密基準(zhǔn)電壓的使能輸入（圖6-1）。當(dāng)使能輸入的電壓大于0.8 V時，穩(wěn)壓器使能；當(dāng)該電壓小于0.725 V時，穩(wěn)壓器禁用。內(nèi)部1 MΩ下拉電阻可防止該引腳懸空時發(fā)生錯誤。利用精密使能閾值電壓，很容易控制器件內(nèi)的電源時序，使用外部電源時也一樣。例如，降壓調(diào)節(jié)器1設(shè)置為5 V時，可以利用一個電阻分壓器來設(shè)置精確的4.0 V跳變點(diǎn)以使能降壓調(diào)節(jié)器2，依此類推為所有輸出設(shè)置精確的上電時序。
可編程軟啟動: 軟啟動電路以可控方式緩慢提高輸出電壓，從而限制浪涌電流。軟啟動引腳連接到 VREG時，軟啟動時間設(shè)置為2 ms；在軟啟動引腳與 VREG和地之間連接一個電阻分壓器時，軟啟動時間可提高至8 ms（圖6-2）。為了支持特定啟動序列或具有大輸出電容的值，可能需要這種配置。軟啟動的可配置能力和靈活性使大型復(fù)雜的FPGA以及處理器能以安全可控的方式上電。
1. 精密使能閾值: 高于0.8V使能穩(wěn)壓器，低于0.72V（遲滯）則關(guān)斷穩(wěn)壓器。
2. 可編程軟啟動: 各通道上的不同軟啟動可編程為2ms、4ms、8ms。
3. PWRGD輸出;CH1到CH4的所需PWRGDx可通過工廠熔絲或I2C配置。
4. 有源輸出放電開關(guān)可以接通輸出放電開關(guān)以縮短輸出電容的放電周期。
圖6. ADP5050和ADP5052簡化電源時序控制
電源良好輸出: 當(dāng)所選降壓調(diào)節(jié)器正常工作時，開漏電源良好輸出(PWRGD)變?yōu)楦唠娖剑▓D6-3）。電源良好引腳可以將電源的狀況告知主機(jī)系統(tǒng)。默認(rèn)情況下，PWRGD監(jiān)控降壓調(diào)節(jié)器1上的輸出電壓，但也可以定制其它通道來控制PWRGD引腳。各通道的狀態(tài)（PWRGx位）可通過ADP5050上的I2C接口回讀。PWRGx位的邏輯高電平表示調(diào)節(jié)輸出電壓高于標(biāo)稱輸出的90.5%。當(dāng)調(diào)節(jié)輸出電壓降至其標(biāo)稱輸出的87.2%以下并持續(xù)50 μs以上時，PWRGx位設(shè)為邏輯低電平。PWRGD輸出是內(nèi)部未屏蔽PWRGx信號的邏輯和。內(nèi)部PWRGx信號必須為高電平且持續(xù)至少1 ms，PWRGD引腳才能變?yōu)楦唠娖剑蝗绻我釶WRGx信號發(fā)生故障，則PWRGD引腳毫無延遲地變?yōu)榈碗娖健？刂芇WRGD的通道（通道1至通道4）由工廠熔絲指定，或通過I2C接口設(shè)置相應(yīng)位來指定。
有源輸出放電開關(guān): 每個降壓調(diào)節(jié)器均集成一個放電開關(guān)，它連接在開關(guān)節(jié)點(diǎn)與地之間（圖6-4）。當(dāng)其相關(guān)調(diào)節(jié)器禁用時，開關(guān)接通，有助于使輸出電容快速放電。對于通道1至通道4，放電開關(guān)的典型電阻為250 Ω。當(dāng)調(diào)節(jié)器禁用時，即使有大容性負(fù)載，有源放電開關(guān)也會將輸出拉至地。這樣就能顯著提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，尤其是在周期供電時。
圖7所示為典型的上電/關(guān)斷時序。
圖7. 典型的上電/關(guān)斷時序
I2C 接口
The I2C 接口實(shí)現(xiàn)了對兩個降壓調(diào)節(jié)器輸出（通道1和通道4）的高級監(jiān)控和基本動態(tài)電壓調(diào)整。
輸入電壓監(jiān)控: 可以監(jiān)控輸入電壓是否發(fā)生欠壓等故障。例如，將12 V電壓施加于輸入，I2C接口配置為：如果輸入電壓低于10.2 V，則觸發(fā)報警。專用引腳(nINT)上的信號告知系統(tǒng)處理器問題已出現(xiàn)，并關(guān)斷系統(tǒng)以便采取糾正措施。具備監(jiān)控輸入電壓的能力可提高系統(tǒng)可靠性。圖8顯示了可以設(shè)置哪些值來監(jiān)控ADP5050的輸入電壓。
圖8. 輸入欠壓檢測
結(jié)溫監(jiān)控:可以監(jiān)控結(jié)溫以判斷是否發(fā)生過溫等故障。如果結(jié)溫高于預(yù)設(shè)值（105°C、115°C或125°C），nINT上就會產(chǎn)生報警信號。與熱關(guān)斷不同的是，此功能發(fā)送警告信號而不關(guān)斷器件。具備監(jiān)控結(jié)溫并提醒系統(tǒng)處理器注意避免發(fā)生系統(tǒng)故障的能力可提高系統(tǒng)可靠性，如圖9所示。
圖9. 結(jié)溫監(jiān)控
有源輸出放電開關(guān): 每個降壓調(diào)節(jié)器均集成一個放電開關(guān)，它連接在開關(guān)節(jié)點(diǎn)與地之間（圖6-4）。當(dāng)其相關(guān)調(diào)節(jié)器禁用時，開關(guān)接通，有助于使輸出電容快速放電。對于通道1至通道4，放電開關(guān)的典型電阻為250 Ω。當(dāng)調(diào)節(jié)器禁用時，即使有大容性負(fù)載，有源放電開關(guān)也會將輸出拉至地。這樣就能顯著提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，尤其是在周期供電時。
動態(tài)電壓調(diào)整：動態(tài)電壓調(diào)整通過動態(tài)降低低功耗模式下通道1和通道4的電源電壓來降低系統(tǒng)功耗，它也可以根據(jù)系統(tǒng)配置和負(fù)載動態(tài)改變輸出電壓。此外，所有四個降壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓均可通過 I2C 接口設(shè)置，如圖10所示。
圖10. ADP5050輸出電壓選項
低噪聲特性
多個特性可降低電源產(chǎn)生的系統(tǒng)噪聲。
寬電阻可編程開關(guān)頻率范圍：RT引腳上的電阻可在250 kHz至1.4 MHz的范圍內(nèi)設(shè)置開關(guān)頻率。電源設(shè)計師可靈活地設(shè)置開關(guān)頻率以避免系統(tǒng)噪聲頻段。
降壓調(diào)節(jié)器相移降壓調(diào)節(jié)器的相移可通過I2C接口設(shè)置。默認(rèn)情況下，通道1和通道2之間以及通道3和通道4之間的相移為180°，如圖11所示。反相操作的優(yōu)勢是輸入紋波電流和電源接地噪聲更低。
圖11. ADP5050/ADP5052的降壓調(diào)節(jié)器相移
圖12. 降壓調(diào)節(jié)器的相移可通過I2C接口配置
時鐘同步：開關(guān)頻率可通過SYNC/MODE引腳同步至250 kHz到1.4 MHz的外部時鐘。該能力對于RF和噪聲敏感應(yīng)用很重要。檢測到外部時鐘時，開關(guān)頻率平滑過渡至其頻率。當(dāng)外部時鐘停止時，器件切換到內(nèi)部時鐘并繼續(xù)正常工作。與外部時鐘同步可使系統(tǒng)設(shè)計師遠(yuǎn)離臨界噪聲頻段，并降低系統(tǒng)中多個器件產(chǎn)生的噪聲。
為成功同步，必須將內(nèi)部開關(guān)頻率設(shè)置為接近于外部時鐘值的值，頻率差建議小于±15%。
通過工廠熔絲或I2C接口，可將SYNC/MODE引腳配置為同步時鐘輸出。當(dāng)頻率等于內(nèi)部開關(guān)頻率時，SYNC/MODE引腳產(chǎn)生占空比為50%的正時鐘脈沖。產(chǎn)生的同步時鐘與通道1開關(guān)節(jié)點(diǎn)之間有一個較短的延遲時間（約為 tSW)的15%）。
圖13顯示了兩個配置為頻率同步模式的器件：一個器件配置為時鐘輸出以同步另一個器件。應(yīng)當(dāng)使用100 kΩ上拉電阻，以防SYNC/MODE引腳懸空時發(fā)生邏輯錯誤。
圖13. RF應(yīng)用顯示兩個器件同步以降低電源噪聲
兩個器件均同步至同一時鐘，因此，第一個器件的通道1與第二個器件的通道1之間的相移為0°，如圖14所示。
圖14. 兩個以同步模式工作的ADP5050器件的波形
ADIsimPower 設(shè)計工具
ADIsimPower™現(xiàn)在支持多通道高壓PMU ADP5050/ADP5052，這些器件從最高15 V的輸入為4/5的通道供電，每通道的負(fù)載電流最高可達(dá)4 A。憑借該設(shè)計工具，用戶可以級聯(lián)通道，將高電流通道并聯(lián)放置以形成8 A電源軌，考慮各通道的熱分布，從而優(yōu)化設(shè)計。利用高級特性，用戶可以獨(dú)立指定各通道的紋波和瞬變性能、開關(guān)頻率、支持半主頻率的通道。
ADIsimPower允許用戶在圖15所示的軟件界面上快速輕松地輸入設(shè)計要求。
圖15. ADIsimPower軟件界面
軟件會智能選擇器件并生成完整的物料清單。評估板可以直接在該工具內(nèi)申請。設(shè)計工具支持對各通道進(jìn)行復(fù)雜的控制，如圖16所示。
圖16. (a) 可以指定各軌的紋波、瞬變和響應(yīng)。
(b) 使用精密使能的高級時序控制要求。
利用ADIsimPower，電源設(shè)計師可以快速獲得準(zhǔn)確、經(jīng)過測試的可靠性能數(shù)據(jù)，如圖17所示。
圖17. ADIsimPower仿真輸出
隨后便可在評估板上組裝設(shè)計，如圖18所示。
圖18. 使用ADP5050/ADP5052的電源電路
ADP5050/ADP5052/ADP5051/ADP5053 技術(shù)規(guī)格
圖19. ADP5050/ADP5051/ADP5052/ADP5053：四通道降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器，帶LDO或POR/WDI，采用LFCSP封裝
結(jié)論
高度集成的全新PMU可實(shí)現(xiàn)具有高電源效率、高可靠性和超小尺寸的復(fù)雜電源管理解決方案。全新設(shè)計工具與靈活的集成電路相結(jié)合，則可縮短這些復(fù)雜電源產(chǎn)品的上市時間。ADP505x系列是ADI公司高度集成的多路輸出穩(wěn)壓器的最新產(chǎn)品組合，該系列使單個IC能快速輕松地用于許多不同的應(yīng)用，從而縮短電源設(shè)計時間。要討論這些器件的技術(shù)方面，請訪問EngineerZone中文技術(shù)論壇。
推薦閱讀：
