高可靠系统的电源电压监控和排序

开关元件

使用"银盒" 或 "砖" 电源时，如果没有附加电路，有时无法以受控次序接通或断开每路电压。这种电源提供标准电压(如5V、3.3V、2.5V和1.8V)，电压分布在整个系统中。例如，一个 "砖" 电源可为两片不同IC提供3.3V逻辑电源和1.8V核电源。有些情况下，这些IC需要不同的上电顺序；一个器件需要核电压先上电，而另一个器件则需要 I/O电源先上电。

这种情况下，电源排序可以通过一个外部开关元件控制电源的通/断。图4所示用一个电压检测器连接到MOSFET的栅极，此MOSFET用来控制VCC1的通/断。系统存在较高电压，能够提供足够的栅－源驱动时，可以选用n沟道MOSFET。但在上电过程中可能引发其它问题，上电期间，若VCC2先于VCC1达到足够高的电平，VCC2将驱动MOSFET使其导通，直到VCC1上升到足够高的电平，使电压检测器输出低电平。



图4. 系统存在较高电压时，电压检测器通过n沟道MOSFET可以控制低电压电源的上电顺序。

同种类型的电路可以用一个电压检测器和一个p沟道MOSFET实现，不需要第2个较高电压。但是，此电路不适合低压电源。另外，p沟道MOSFET较高的导通电阻，使其对大功率应用不合适。

在多电压电源的排序应用中，比较简单、可靠的方法是利用MAX6891等器件实现监控和排序双重功能(参见)。这类IC用复位电路监控第一个电压来确定该电压是否在规定的范围内；当该电压达到指标要求时，IC通过其MOSFET驱动器接通MOSFET。内部电荷泵为第2路电源增加了一个固定电压，用于控制MOSFET的栅极，这有助于确保栅一源电压足够高，驱动MOSFET完全导通。


  
图5. 主电源上电后，MAX6819接通第二路电源。板上电荷泵增强MOSFET驱动，使其导通电阻最小。

余量功能

很多电信、网络、存储和服务器设备在制造过程中往往采用余量测试规程，保证系统的可靠性。“余量”涉及系统(或处理器)的评估，使系统电源偏离标称电压进行评估。为了改变电压，通常用数字电位器或电流DAC调节DC-DC转换器的反馈回路。图6所示是电源余量控制的两种方法。另外，还可以通过一个数字接口编程电源输出。不同程度的余量控制包括 "合格/失效"，对所有电源电压增加或减少±5%或±10%电平，和精细调节(电源以10mV或100mV步长增加或降低)；后一种方法允许更详细地评估系统性能。



图6. 执行电压余量的两种简单技术包括增加一个数字电位器或电流DAC到DC-DC转换器的反馈回路。

可以用ADC更精确地测量这些电源电压，可以利用微控制器内部ADC实现该功能；然而，在微控制器供电电源降到规定电压以下时，内部基准可能超出容限范围，影响ADC精度。余量测试期间必须断开或禁止复位输出，这样系统可以继续工作。否则，系统将复位，无法检测到系统失效时的电源电压。大规模系统的余量测试过程可能需要相当长的时间。

单一芯片集成监控、排序和余量功能

尽管很多处理器只需要两路电源，一路核电源和一路I/O电源，而其它器件(如DSP、ASIC、网络处理器和视频处理器)可能需要5路电源。在一个完整的系统中，监控器电路可能需要监控并排序控制10路以上的电源。随着系统电源电压数量的增加，需要监控、排序和余量测试的IC数量也在增加。从而使成本增加，并占用更多的电路板空间。需要改变参量(如电压阈值，复位暂停周期)时，还要增加新的器件。此外，改变排序次序也是一个相当困难的任务。

为了降低电路复杂程度，可以采用可编程系统管理IC，这种IC将监控和排序功能集于一体。器件的可编程性简化了控制过程的修改。在样机和制造阶段不需要更换器件。大多数情况下，可以通过串行接口编程设置内部寄存器，设置阈值和延迟时间。板上EEPROM用来存储这些寄存器的内容。

所示为MAX6870系统管理器件监控和排序几个系统电源的框图。当+12V总线电压增加并超过其阈值(存储在MAX6870中)时， MAX6870的一路输出立即或经过一个延迟周期(也存储在MAX6870存储器中)后开启+5V稳压器。+5V稳压器上升，而且达到所对应的阈值时，+ 3.3V电源开启。随后，其余电源依次以相同的方时启动。



图7. 可编程系统管理器件为电压监控和排序提供一种灵活的方法。

通过编程系统管理器件还可以提供其它监控功能(如复位电路和看门狗定时器)。系统管理器件通过其模拟和数字输入，也可监控电源电压以外的参量。在图7电路中，AUXIN_ (模拟输入)和GPI_ (数字输入)监控一个温度读数和一个电流检测读数。MAX6870包括一个10位ADC，可量化读数。微控器监控这些量化数值的状态。温度传感器和电流检测监控器均包含一个比较器，指示已发生的失效(即温度或电流是否超过指定门限)。每个比较器输出连接到MAX6870通用输入(GPI)，MAX6870 被配置成发生失效条件时，关闭一个或多个电源，从而减少+12V电源上的负载。

内部ADC简化了精确的余量测试。在余量测试过程中，可以从ADC寄存器读取每个电源的输出电压。同样，余量输入也可以禁止输出或编程到已知状态，因此，在此期间可避免系统复位。