利用MAX16046系統(tǒng)管理IC進(jìn)行排序

CPU、ASIC、FPGA、存儲(chǔ)器等復(fù)雜器件通常需要電源排序。MAX16046提供高度集成的排序、監(jiān)測(cè)和電源裕量調(diào)節(jié)解決方案。本應(yīng)用筆記介紹了一個(gè)利用多個(gè)器件實(shí)現(xiàn)特定排序要求的示例，并給出了利用MAX16046實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的具體步驟。

引言

現(xiàn)代電子器件具有復(fù)雜的供電要求，需要多路電源電壓。電源必須能夠提供I/O供電電壓、CPU、ASIC和FPGA核供電電壓、PLL供電電壓以及存儲(chǔ)器終端供電電壓。其它器件則需要高壓、大電流或低噪聲電源供電，例如無線收發(fā)器、超聲變送器和LCD或等離子顯示屏等。

采用多電源供電的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)人員嚴(yán)格關(guān)注供電順序問題。每路電源都必須按照指定順序開啟，從而避免將復(fù)雜的多電壓供電IC內(nèi)部的保護(hù)二極管正向偏置。如果只是簡(jiǎn)單地同時(shí)開啟電源，IC可能存在可靠性問題，甚至閉鎖。

除電源排序外，某些系統(tǒng)還需要裕量調(diào)整。電壓裕量調(diào)整指通過控制電源電壓確保電壓處于容差范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

Maxim提供多種電源管理方案，本應(yīng)用筆記集中介紹了MAX16046，能夠?qū)Χ噙_(dá)12路電源進(jìn)行排序、監(jiān)測(cè)和裕量調(diào)整。

系統(tǒng)示例

本文以下述假設(shè)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)是一塊帶有MPC8548處理器和Virtex? 5 FPGA的通用電路板，表1列出了該設(shè)計(jì)中復(fù)雜IC所要求的不同供電電壓。

表1. 電源電壓要求

Name	Description	Spec	Current
MPC8548 Voltages
VDD	Core supply	1.1V ±55mV	8A
AVDD	PLL supply	1.1V ±55mV
SVDD	SerDes core supply	1.1V ±55mV
XVDD	SerDes pad supply	1.1V ±55mV
GVDD	DDR2 I/O supply	1.8V ±90mV	0.5A
VTT	DDR2 termination	0.49 × GVDD to 0.51 × GVDD	0.5A
LVDD	Ethernet supply	2.5V ±125mV	0.1A
TVDD	Ethernet supply	2.5V ±125mV
OVDD	I/O supply	3.3V ±165mV	0.1A
BVDD	Local bus I/O supply	3.3V ±165mV
Virtex 5 Voltages
VCCINT	Internal supply	0.95V to 1.05V	~10A
VCCAUX	Auxiliary supply	2.375V to 2.625V	1A
VCCO	I/O supply	1.14V to 3.45V	1A
VDD	?	1.8V ±100mV	2.5A
VDDL	?	1.8V ±100mV
VDDQ	?	1.8V ±100mV

處理器和FPGA規(guī)定了具體的供電順序，避免在一定時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致內(nèi)部ESD二極管正向偏置。大規(guī)模多電源供電IC的供電順序通常很靈活，但最好遵循廠商的供電順序要求。

MPC8548采用以下供電順序：

1. V_DD
2. AV_{DD_n}, BV_DD, LV_DD, OV_DD, SV_DD, TV_DD, XV_DD
3. GV_DD

Virtex 5采用以下供電順序：

1. V_CCINT
2. V_CCAUX
3. V_CCO

每款器件都規(guī)定每路電源的最大上電時(shí)間為50ms。Virtex 5還要求電源的上升時(shí)間不得快于0.2ms。

圖1所示的方框圖可以很方便地實(shí)現(xiàn)電路的供電要求。


圖1. 電源框圖

由于3.3V DC-DC轉(zhuǎn)換器為下游所有負(fù)載點(diǎn)DC-DC轉(zhuǎn)換器供電，因此，要求3.3V電源至少能夠提供10A電流。n溝道MOSFET控制3.3V電源用于IO供電，0.9V LDO為1.8V DDR2-SDRAM存儲(chǔ)器提供V_TT。

現(xiàn)在，我們確定了測(cè)試系統(tǒng)的電源排序和監(jiān)測(cè)要求，接下來可以利用MAX16046構(gòu)建系統(tǒng)。

利用MAX16046進(jìn)行監(jiān)測(cè)、排序和裕量調(diào)整

硬件配置

如上所述，MAX16046可對(duì)多達(dá)12路電源進(jìn)行監(jiān)測(cè)、排序和裕量調(diào)整。監(jiān)測(cè)門限、供電順序、裕量參數(shù)以及其它配置值儲(chǔ)存在器件內(nèi)部的EEPROM。可通過SMBus?或JTAG接口讀取實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)有助于在開發(fā)期間檢查供電順序。

如果工作期間發(fā)生電源故障，MAX16046能夠自動(dòng)關(guān)斷電源并觸發(fā)可配置故障輸出報(bào)警。該器件還可以配置為在內(nèi)部EEPROM儲(chǔ)存故障信息，以便隨后進(jìn)行分析，故障信息包括電源電壓和通道狀態(tài)。這一功能對(duì)于那些在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行正常，但在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障的電路板進(jìn)行分析非常有幫助。一旦發(fā)生故障，將鎖存EEPROM，后續(xù)故障將不會(huì)覆蓋已經(jīng)儲(chǔ)存的故障數(shù)據(jù)。

圖2中的局部電路顯示了MAX16046在圖1所示電源架構(gòu)中的連接。MAX16046控制每路電源的使能輸入并監(jiān)測(cè)輸出。該器件還控制用于3.3V I/O供電的串聯(lián)旁路MOSFET。MAX16046的DAC輸出連接到幾個(gè)電源的反饋點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)裕量調(diào)整。


圖2. MAX16046的局部電路圖

圖3所示是MAX16046外圍的詳細(xì)電路圖，包括電源連接和在線編程連接。低電平有效的SYSTEM_RESET信號(hào)連接至MPC8548和Virtex 5的復(fù)位輸入。預(yù)警信號(hào)可以向MPC8548報(bào)警，啟動(dòng)完全關(guān)斷和軟關(guān)斷模式；嚴(yán)重故障的指示信號(hào)可以連接到一個(gè)控制3.3V電源的鎖存器，在發(fā)生嚴(yán)重過壓事件時(shí)將其關(guān)斷(FAULT2完全可編程，但在本應(yīng)用中設(shè)置為過壓監(jiān)測(cè))。看門狗定時(shí)器輸入WDI連接至MPC8548，使MAX16046能夠在MPC8548不能提供WDI時(shí)觸發(fā)SYSTEM_RESET。低電平有效的MARGINUP#和MARGINDN#連接至測(cè)試點(diǎn)TP1和TP2，在生產(chǎn)或原型評(píng)估期間用于裕量調(diào)整。


圖3. MAX16046詳細(xì)原理圖

本例中，通過JTAG連接完成在線編程。SDA和SCL連接至MPC8548，由此可通過查詢MAX16046獲取故障信息或?qū)崟r(shí)測(cè)量電壓值。應(yīng)用筆記4285：“MAX16046–MAX16049 EEPROM可編程系統(tǒng)管理器的在線編程”詳細(xì)介紹了在線編程方法。

當(dāng)EN電壓超過0.525V (典型值)時(shí)，MAX16046開始控制電源排序；當(dāng)電壓下降至低于0.5V (典型值)時(shí)，MAX16046將對(duì)電源進(jìn)行反向排序。在12V電源輸出端提供足夠大的電容對(duì)于確保成功完成反向排序至關(guān)重要。門限設(shè)置為11.7V，以便在發(fā)生這種情況時(shí)能夠提供足夠的電容儲(chǔ)能支持反向排序。對(duì)于軟關(guān)斷情況，亦可通過SMBus或JTAG控制電源。

與V_CC串聯(lián)的二極管使V_CC的電容能夠在故障狀態(tài)下向MAX16046供電。故障狀態(tài)存儲(chǔ)最多需要204ms將故障數(shù)據(jù)寫入至MAX16046的非易失EEPROM。利用MAX16046數(shù)據(jù)資料中的公式(如下所示)可得出所需要的最小電容值為157μF：

一旦完成上電排序，MAX16046則釋放SYSTEM_RESET，從而使處理器和FPGA能夠初始化并開始正常工作。

軟件配置

MAX16046配置軟件提供了一種方便的方式輸入配置參數(shù)，無需研究寄存器映射或進(jìn)行沒完沒了的計(jì)算。電路板上安裝的MAX16046通過以下幾個(gè)步驟完成配置：

第1步
將電源信息輸入配置軟件的設(shè)置標(biāo)簽頁(見圖4)。


詳細(xì)圖片(PDF, 544kB)
圖4. 已輸入?yún)?shù)的MAX16046配置軟件的設(shè)置標(biāo)簽頁

在類似電子表格的數(shù)據(jù)表中，每行表示一個(gè)電源。1.8V DDR2電源是雙輸出電源，所以該行添加了一個(gè)“子項(xiàng)”，表示第2路監(jiān)測(cè)輸入。點(diǎn)擊該行，然后點(diǎn)擊Add Subitem按鈕為該電源添加額外的監(jiān)測(cè)通道。

欠壓和過壓值以百分比輸入。點(diǎn)擊Write to Registers按鈕后，該軟件將自動(dòng)計(jì)算將要加載至MAX16046寄存器的值。

如圖5所示，通過Margining Calculator輸入裕量調(diào)整參數(shù)。在給定電源的基準(zhǔn)電壓和三個(gè)電阻值后，裕量調(diào)整計(jì)算器將自動(dòng)計(jì)算電壓范圍，它將確定調(diào)高電壓裕量或調(diào)低電壓裕量所需要的寄存器值。


圖5. 3.3V電源的裕量調(diào)整計(jì)算器

第2步
打開排序標(biāo)簽頁，從而確定供電順序。圖6所示為示例電路的供電順序。利用鼠標(biāo)光標(biāo)將電源電壓拖至適當(dāng)?shù)捻樞颉Ｍㄟ^點(diǎn)擊頂行帶下劃線的藍(lán)色鏈接設(shè)置電源之間的延遲，按照表2設(shè)置延遲。

表2. 時(shí)隙延遲

Slot	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Delay	12.5ms	25ms	25ms	25ms	12.5ms	12.5ms	20μs	20μs	20μs	20μs	20μs	20μs

詳細(xì)圖片(PDF, 876kB)
圖6. 排序配置

第3步
打開通用標(biāo)簽頁，設(shè)置可編程故障輸出、看門狗定時(shí)器及其它各種參數(shù)，圖7所示為通用參數(shù)標(biāo)簽頁。


詳細(xì)圖片(PDF, 736kB)
圖7. 通用參數(shù)配置

GPIO1的Any Fault PP配置使其在發(fā)生排序故障或FAULT1和FAULT2任一條件為真時(shí)觸發(fā)報(bào)警(推挽式)。該信號(hào)送至MPC8548輸入端，指示發(fā)生故障。MPC8548可通過SMBus查詢MAX16046，確定故障原因。

GPIO6的Fault 2 PP配置使其在發(fā)生嚴(yán)重的過壓故障時(shí)觸發(fā)報(bào)警(推挽式)。GPIO6可以控制切斷電路板電源，防止損壞電路。觸發(fā)GPIO6報(bào)警的條件取決于FAULT2欄的選項(xiàng)框設(shè)置。

GPIO4配置為閉環(huán)跟蹤(INS4)，該通道用于控制3.3V IO電源。95%的電源就緒門限表示當(dāng)串聯(lián)旁路MOSFET的源極電壓超過漏極電壓的95%時(shí)，電源進(jìn)入就緒狀態(tài)。

復(fù)位超時(shí)設(shè)置為200ms。當(dāng)所有電源電壓達(dá)到電源就緒狀態(tài)并保持200ms后，SYSTEM_RESET為邏輯高電平，使處理器和FPGA解除復(fù)位狀態(tài)。

看門狗定時(shí)器在解除SYSTEM_RESET后具有25.6s的初始啟動(dòng)延時(shí)。該延時(shí)在觸發(fā)WDI之前為MPC8548提供了導(dǎo)入程序的時(shí)間。Dependent初始啟動(dòng)延時(shí)從上電過程結(jié)束時(shí)開始計(jì)算。

其它Miscellaneous Timers參數(shù)包括：3.3V IO的Slew-Rate控制(400V/s)；1600ms的Auto-Retry延時(shí)，該延時(shí)使MAX16046在出現(xiàn)一次上電排序故障時(shí)經(jīng)過1.6s延時(shí)后重試；Fault Up Timer/Fault Down Timer允許每路電源有25ms的時(shí)間上升到規(guī)定門限范圍內(nèi)，或在斷電時(shí)下降到規(guī)定值。

完成所有配置參數(shù)設(shè)置后，即可將數(shù)據(jù)保存到一個(gè)文件進(jìn)行批量編程，或保存到版本控制系統(tǒng)。MAX16046配置軟件能夠生成用于JTAG編程的SVF文件。

將配置文件加載到已安裝的目標(biāo)電路板后，可利用配置軟件的監(jiān)測(cè)標(biāo)簽頁進(jìn)行原型評(píng)估。監(jiān)測(cè)標(biāo)簽頁利用MAX16046的ADC為每個(gè)電源提供實(shí)時(shí)電源電壓監(jiān)測(cè)圖形。雖然圖形的采樣率過慢，以至于不能觀察到供電順序，但仍可以檢查電壓。


詳細(xì)圖片(PDF, 824kB)
圖8.電壓監(jiān)測(cè)截屏給出了排序結(jié)果

圖8所示為示例電路的電壓屏幕截圖，圖9所示為標(biāo)出了電源電壓的示波器波形。可在3.3V IO電源上觀察閉環(huán)跟蹤的擺率。


詳細(xì)圖片(PDF, 716kB)
圖9. 供電順序示波器波形

可以檢查示波器波形，并將其與MAX16046配置軟件設(shè)置的順序和時(shí)序進(jìn)行比較；它還必須與原始的供電順序要求一致。這種情況下測(cè)得的供電順序與上述規(guī)格一致。

可將兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)TP1和TP2中的任意一個(gè)接地，使所有電源電壓上升或下降到預(yù)定值，以評(píng)估裕量調(diào)整功能。可利用MAX16046或獨(dú)立的伏特計(jì)測(cè)量電源電壓。

結(jié)論

MAX16046為復(fù)雜的多電源供電系統(tǒng)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單明了方案，用于電源排序、裕量調(diào)整和電源監(jiān)測(cè)。MAX16046配置軟件簡(jiǎn)化了對(duì)容限和供電順序的配置。