如何进行卡上电源系统的设计

引言
卡上电源系统的复杂性正在急剧增加，处在发展前沿的IC不但要求电源电压越来越低，而且要求多种供电电压必须以正确的顺序建立起来。与此同时，IC的功耗也在持续增加。这一切都使得电源设计师的任务日益艰巨。
由于大电流的低电压电源无法通过单一的中央电源进行有效的分配。从而使用负载点(POL)电源转换器的分布式电源系统渐渐普及。相对较高的电压通过背板或主板进行分配，同时系统中的各个功能卡上都带有DC-DC转换器，从而将背板电压降低到各芯片所需要的较低电压。这样一来，电源效率就得以提升。然而，带来的不利一面是：各个功能卡的设计师就不得不担负起设计卡上电源系统的任务。

图1 功能卡电源系统
卡上电源系统的性能要求
大多数卡上电源系统采用基于DC-DC转换器模块作为基本组件的系统架构。但是，对于电源系统来说，除了要有高性能的DC-DC转换器，还有很多地方需要注意。
在初级，电源系统必须符合规定的安全和EMI方面的目标，同时还要支持诸如热插拔和电源冗余等系统要求。在次级，电源管理功能要将一些基本组件紧密地结合到一起，并构建成为一个可以完全正常运作、可靠的电源系统。在具有多路输出的高性能电源系统中，电源管理功能设计正在成为一项复杂的任务。

初级电源管理功能
初级电源管理主要包括浪涌电流抑制(热插拔)、输入欠压关断以及输入过流保护。对于高性能应用，诸如需要对输入电压与输入电流进行测量，对过压、欠压或过流进行检测，以及对保险熔丝失效进行检测等应用，其它初级监控功能也很有必要。同时初级监控到的参数必须在保持电气隔离的同时传送到次级。
浪涌电流抑制
浪涌电流抑制器除了被用来保护系统免受功能卡热插拔时所造成的电流浪涌的冲击外，还具备断路器的功能，从而为系统提供过流保护。卡上电源系统一般都采用有源浪涌电流抑制器，该器件由MOSFET和串联在输入端的电流检测电阻以及驱动MOSFET的电路构成。由电感或PTC(正温度系数)热敏电阻构成的无源浪涌电流抑制器可用于低功率的功能卡，但并不适用于常规的应用场合。要使浪涌电流抑制器有效工作，除了用于高频滤波的小电容外(通常其总电容量不超过0.1F)，在其前面绝不能采用较大的电容。为了限制流入EMI滤波器中电容的电流，抑制器应当连接在主EMI滤波器之前。
对于通常的应用，浪涌限制电流应当设定为功能卡最大连续电流的两倍左右。同时MOSFET的额定能量耗散必须足够高，以应对浪涌电流的冲击。如果输入电流很大，可以在浪涌控制电路中加入超时功能，以在最坏情况下保护MOSFET。通过这种方式，浪涌抑制器能够在不超过MOSFET额定参数许可的条件下，对输入电容进行两次或更多次连续脉冲充电。
低输入电压关断
在由48V电池组供电的系统中，输入电压会由于AC电源停止供电而缓慢降低。为了避免损坏电池，当输入电压降低到预设的欠压阈值时就必须关断电源转换器。尽管多数中间电源总线架构的砖式模块具备内置的低输入关断功能，但通常还是首选从外部来控制关断，以求得到对关断电压更精确的控制。
电源系统输入欠压阈值电压的设定非常关键，首先其数值必须足够低以满足系统指标。在电信应用中通常要求在电压低于40V之前系统仍能运行。由于这个要求针对的是设备的主电源输入端，各功能卡的欠压阈值必须低于40V以消除二极管、保险熔丝、配线等部件上的压降带来的影响，通常至少要低1.5V。同时，由于多数中间电源总线结构的砖式模块仅保证最低工作电压为36V，因此欠压输入阈值必须高于36V。典型的欠压阈值为38V±0.5V，由浪涌抑制器进行测试。此外，欠压关断还必须具有滞回特性，以防止快速振荡。通常，大约3V的滞回区间比较合适，当输入电压高于41V时系统将重新启动。
但需要注意的是尽管电信标准要求系统在电压降低到40V还能运行，但并不需要在同样的电压下重新启动。这是因为当交流电源从停电中恢复后，由于开始充电，电池电压会很快升到40V以上。
输入过流保护
为了符合安全认证的要求，必须在每块功能卡的电源输入端都使用保险熔丝。对于双电源冗余馈电，每一路输入都要使用独立的保险熔丝。所选用的保险熔丝的额定电压必须合适(对于48V的电信系统，通常最小为80V DC)，而且其标称熔断电流也要足够大，以应对最坏情况下的故障电流。由于分布式网络的低阻抗，在使用大型电池的系统中出现故障时的电流可能非常高。
所以，尽管保险熔丝对多数故障情况提供了基本的过流保护，但是，好多高性能应用中还采用断路器来提供更精确的关断点，从而对过载提供快速的保护。这种断路器动作速度非常快，但一般推荐加入数毫秒的延时，以避免在瞬态状况时发生不必要的切断动作。用作浪涌抑制器中的MOSFET可以兼做断路器，使用相同的过流阈值以及延时。这样就避免了使用额外器件的必要。
初级监控
除了上面提及的基本功能之外，其它初级监控功能还包括测量输入电压/电流、检测熔丝失效、以及过压、欠压和过流报警等。同时监控功能还必须提供电气隔离，以通过次级的接口报告初级的状态。简单的初级状态信息可以用光耦进行隔离，而对于更为复杂的监控信息，可以采用廉价的变压器来隔离数据链路。

次级电源管理功能
主要的次级电源管理功能包括启动和关断电源顺序控制、输出电压监测、过压及欠压保护以及电压余量控制。如温度监测或电压/电流数值的远程读取等其它功能在高性能应用中也很必要。
启动及关断电源顺序
当今的许多复杂IC都需要多个电源输入，而且这些电源在启动时必须以正确的顺序加入，以避免发生闭锁现象或永久性破坏。在某些情况下这些电源在关断时必须以相反的顺序关断，以防止可能出现的损坏。由于各路电源分别由独立的POL转换器输出，根据总体功能卡电源顺序控制机制来协调各个POL转换器就尤为重要。确切的需求随卡上芯片的不同而有所区别，这些可以从芯片制造商提供的数据手册中得到。如果几个芯片使用相同的电压但其启动顺序存在冲突，那么就可能需要对各芯片使用独立的POL转换器。
顺序控制
实现顺序有以下几种方法：
* 可以在各POL转换器使能管脚上接入固定的RC延时电路。这种方法很容易实现，但这种方法并不能在所有情况下都保证正确的电源顺序。如果某个POL转换器启动时间比预期的长一些，或出现启动失败，下一个POL转换器则不会等到它启动之后再启动。同时也没有办法对出现输入电源故障、功能卡被拔出以及启动故障等情况时对系统进行保护。此外，RC延时电路也无法对断电顺序进行控制。
* 也可以选用简单的互锁方案：各POL转换器在其输出电压达到预设阈值后，再向下一个POL转换器送出使能信号。这种互锁电路可以用带有电压基准的比较器或光耦来实现。这种方式的互锁能保证启动顺序正确，但很难对断电顺序进行控制。
* 可以使用一个微控制器，通过内置的ADC测量各POL输出电压，然后驱动各使能管脚。微控制器上运行的软件可以保证启动时遵循适当的顺序，而且也能控制断电顺序。然而，微控制器软件的开发需要大量的人力、物力，同时微控制器本身也价格昂贵。
* 还可以用专用的电源管理芯片来取代微控制器。这种芯片专为控制电源顺序而设计，包括了全部需要的数字逻辑。电源启动和关断顺序、延时以及互锁电压等参数可以通过交互式的图形用户接口轻松地进行配置。无需开发任何软件，节约了开发时间以及人力、物力，并极大地降低了设计风险。同时这种芯片一般还包含了其它专门针对电源应用设计的特性，例如温度测量、状态读取以及故障标识等。
电压跟踪
如果需要进行电压跟踪，最简单的解决方案是采用专门设计的POL转换器。这种POL变换器具备一个连接到其内部反馈环路中的单个跟踪管脚。按照图1所示的方法连接多个POL变换器的跟踪管脚，它们各自的输出电压在启动或关断时就会自动彼此跟踪。在图1中，总体电源系统控制器通过一个使能管脚就可以控制两个POL转换器同时启动或关断。适当选择电阻和电容的数值，就能很容易地控制启动或关断时跟踪电压的斜率。
这种方法一般会优先考虑在电源输出通道上使用可控的MOSFET开关来实现，特别是在低电压、大电流的场合，此时MOSFET上的压降非常明显。
输出监控
工程师期望如果功能卡上任何一个POL转换器发生故障，系统能立刻以某种受控的方式来关断全部的POL转换器，以避免故障的扩散。这就需要监测所有输出的过压以及过流情况。
需要注意的是，不可恢复的次级故障可能在任何使用非隔离式POL型DC-DC转换器的电源系统中发生。这是因为多数POL转换器使用降压型拓扑结构，在这种结构中电压是通过改变上侧与下侧开关FET的占空比来控制的。如果上侧的FET发生了短路故障，输出电压就等于输入电压，在这种情形下，只有撤掉输入电压才能得到控制。
输出监控电路应该独立于各POL转换器，以确保可以检测到任何器件故障。例如，POL转换器的电压基准失效会导致输出电压超出限定的范围，但是如果其内部的过压或欠压检测电路采用同一个电压基准，则过压或欠压阈值也就随之变化，从而将导致无法检测到故障的发生。此外，能在关断发生之前向系统发出预警的过压及欠压阈值也非常有用，特别是在可以指示POL瞬时达到电流限制点的欠压告警应用中，这一点尤为重要。
准确的过压与欠压检测阈值取决于系统的需求以及功能卡的具体设计。其翻转电平必须距离正常电压足够远，以避免在常见的最坏情况下出现误关断。作为设计的出发点，可以考虑将标称电压的110%设置为过压关断阈值，同时将标称电压的90%设为欠压关断阈值。在多数应用中，可以为过压关断选择1~2ms左右的延时，以避免瞬态电压毛刺引发的不期望的关断。欠压检测时间可以长一些，通常为10~50ms。对于独立的过压和欠压告警，阈值可以分别设为标称电压的105%和95%。
检测电路可以由多个带有外部电压基准的比较器组成，用电阻分压器设置过压和欠压阈值，用电容设定故障检测延迟时间。但是，对于电源电压种类很多的功能卡，尤其是告警和关断阈值需要分别设定时，这种方法就会变得非常复杂。另外，任何电压阈值或延时的改变都需要改变元件参数，甚至需要对PCB进行重复设计。
控制电源顺序的专用电源管理芯片可以提供监控功能，从而不再需要单独的监控元件，并且允许优化电压阈值和检测延迟而无需改变元件的任何参数。在该芯片内可以很容易地实现单独的告警和关断阈值，检测过压或欠压的数字逻辑甚至比使用RC时延电路能更好地分辨虚假翻转，并能在关断之后控制系统重启。
虽然用以实现电源顺序的微控制器也能提供监控功能，但软件的开发将会变得更具挑战性。
输出电压调整
在许多应用中，都需要至少对部分电源通道的输出进行调整。多数POL转换器通过调整管脚和输出管脚之间的固定电阻，对输出电压进行调整。此时用一个接地的电阻能提高输出电压，而连接正电源的电阻则能降低输出电压，但也有部分POL转换器的调整方式恰恰与之相反。某些POL的输出电压调整范围很大，通常称之为宽输出范围POL转换器，而且总是需要固定电阻来设置输出电压。而有些转换器则只可能在小范围内调整(通常为±10%左右)，而且只有当输出电压偏离标称值时才需要固定电阻。
在某些应用中需要对系统进行余量测试，通过提升或降低各路电源的输出电压，同时检测关键性能指标，来检测系统性能的余量特性。为了测试方便，余量测试中应当由软件控制电压改变而不是去改变电阻值。
当使用专用电压管理芯片来进行顺序控制时，也可以用它来进行余量控制。芯片中的一个或多个DAC可以用来驱动各路POL转换器的调整管脚，调整可以同时进行或者按顺序分别进行。为了获得良好的稳定性和分辨率，可以在DAC的输出和POL的调整输入管脚之间接入一个与POL特性相匹配的固定电阻。需要注意的是控制芯片必须使用稳定而精密的电压基准。如果使用微控制器进行顺序控制，也可以通过一个GPIO管脚来进行余量控制。软件可以通过变化的占空比来驱动GPIO管脚，在该管脚处的电压通过一个外部的运算放大器来模拟DAC的输出，然后将输出电压通过一个电阻驱动POL的调整管脚。这种软件控制下的电压调整虽然能用来实现闭环微调，进而能够改善DC-DC变换器的长期稳定性，但无法补偿由于负载瞬变或输入电压瞬变带来的短期效应。
电压读取与通信接口
当使用了专用电源管理芯片或微控制器时，远程读取输出电压就变得相对简单。这种芯片包含了像I2C或SMBus等对器件内部寄存器进行读写访问的通信接口，以将初始配置数据写入芯片，同时系统软件还能实时读出电源电压，并能根据需要进行电压余量控制。

结语
Potentia半导体公司开发的专用电源管理芯片PS-1006和PS-2406能很好的完成功能卡电源系统的管理，利用两芯片组成的初级与次级电源控制器通过协同工作，能对整个电源系统，包括初级砖式模块关断功能，进行全面的控制。
以专用电源管理芯片代替分立元件或通用微控制器等传统控制电路能极大地简化功能卡电源系统的设计。同时这种方法还能在改善总体可靠性的同时显著地提升电源系统性能与特性。已经面市、带有特定功能的专用电源管理芯片适合于广泛的应用场合。