电源排序 - 选择与权衡：第 2 部分

系统中多个电源轨的正确排序是一项关键功能，可以使用不同的方法来实现。

对于具有多条电源轨的应用，复杂的排序要求可能需要许多额外的组件。解决这一高级排序挑战有两种途径，均提供所需的功能。一种是基于用户编程的微控制器;另一种使用完全可编程但硬接线的 IC，专为排序而设计。

例如，使用 Microchip Technology 微控制器 PIC16F1XXX 系列的电源定序器可以处理四个、八个或更多电源(图 1)。嵌入式固件由用户编程，以实现所需的定序属性，以及电源良好标准、上升时间和下降时间，以及在电源超出范围或发生故障时实施各种警报模式。

图 1. 使用基于 PIC16F1XXX 系列的电源排序器，可以灵活地跨多条电源轨进行排序和时序控制，并提供由其内部 ADC 测量的详细性能标准。

基于 PIC 的方法具有 10 位 ADC，但对每个轨道进行 16 次数字化，然后取平均结果，产生相当于 14 位转换的结果。根据所选的 PIC16F1XXX 系列的具体成员，用于启用稳压器或驱动轨道 MOSFET 的通用 I/O (GPIO) 引脚数量可以达到数十个，因此几乎可以处理任何情况。

对于特定排序设备，德州仪器的 UCD90120A 提供了另一种完全可编程的方法(图 2)。PMBus/I2C 接口可处理此 12 轨电源排序器和监视器，还包括 26 个 GPIO 引脚，可用于其他与电源相关的功能，例如生成电源启用、复位和系统处理器的警报中断。当与合适的图形用户界面 (GUI) 结合使用时，它可用于建立复杂的电源开/关序列和时序，在发生电压下降时提供系统故障分析的见解(图 3)。

图 2. UCD90120A 设计用于对多达 12 个电源轨进行排序和监控，用户可通过其 PMBus/I 2 C 接口进行编程;额外的 GPIO 引脚支持额外的电源相关传感和控制选项。

图 3. 将 UCD90120A 等灵活的 PMIC 与 GUI 相结合，可产生一个强大的工具，用于建立多个复杂的排序场景并观察每个导轨的性能及其时序关系。

数字电源和电源排序：机遇与风险

基本直流稳压器使用全模拟或混合信号电路，无论是 LDO(仍然非常广泛使用)还是开关稳压器。这是几十年来大多数稳压器的实现方式，诚然，这两种拓扑都经过了许多改进(和变体)。

如果它们具有“数字”方面，则使用数字控制通过 PMBus 或 I 2 C 接口设置模拟环路参数，如增益、响应、输出电压、电流限制等。一旦这些因素设置到位，稳压器闭环操作就是模拟功能，即使通过控制总线更改或更新它们，新的操作模式仍然主要是模拟的。

然而，出于多种原因，高功率系统现在经常使用全数字功率调节。这种全数字功率控制远远超出了通过数字总线设置模拟环路参数的范围。相反，实际的闭环调节功能是通过包括处理器和嵌入式算法在内的数字电路执行的。

在这些电源中，输出电压轨被高速数字化，通过固件与所需值进行比较，然后向环路 DAC 发出命令以调整该输出(当然，还要考虑许多其他因素)。排序是嵌入式固件的众多任务的一部分。

全数字方法还允许定制控制和排序策略以更好地匹配操作条件，并且用户可以指定在不同操作点优先考虑哪些电源权衡：改善调节、提高效率、降低电气噪声等等。更棒的是，这些优先级可以根据需要动态更改。这是灵活性的极致，能够随着需求和优先级的变化而调整 — 在许多情况下，这是工程师梦寐以求的情况。

即使是排序也是各种电源轨数字控制算法的固有部分，因此也可以灵活调整。考虑到所有这些好处和固有的灵活性，采用数字电源和排序应该毫不犹豫。毕竟，如果可以灵活调整，为什么要承诺呢?

但有时，好事太多也可能带来问题。当设计中的几乎所有内容都是由软件驱动的，因此可以轻松进行更改时，在考虑和执行项目时会产生一些后果：

首先，人们倾向于认为“只需发货即可;我们可以稍后在软件中修复它”。

其次，由于更改的文档可能不完整，因此通常很难知道您实际拥有什么，甚至代码列表也无济于事;您真正需要知道代码块和算法的意图。

第三，在电源轨和排序中拥有灵活且可更改的代码意味着设计还有另一个功能，即“流动”。然而，经验丰富的设计师知道，让项目继续前进的关键步骤之一是“确定”尽可能多的方面，尤其是那些对整个系统有影响的方面。当一切都是可塑的并且随时可能发生变化时，试图取得进展就像试图把果冻钉在墙上一样困难。

最后，由于定序器本身是基于处理器的 IC，运行代码，因此它必须在其他任何电源轨或组件完全激活之前正确启动。换句话说，这将成为一场竞争，一方面，定序器准备好执行其应执行的任务，另一方面，定序器管理的稳压器和电源轨在正确定序和管理之前达到其标称值。因此，在这些设计中，让所有电源轨稳压器在系统通电时保持静止状态，直到它们被指示激活，这一点至关重要。

一个重要的系统级决策是，是否使用具有固有灵活性的基于固件的排序，还是使用保证在通电时“立即”执行其设计任务的硬连线排序 IC。电源子系统的设计和性能是做出坚定设计决策的最佳场所之一，然后就不管它了。

毕竟，一个坚固、干净、低噪音、一致的电源网络从字面上和形象上来说都是支持设计中所有其他子系统运行的基础。相比之下，性能不佳或动态特性异常的电源可能会出现奇怪的问题，这些问题会以无法解释的方式表现出来;通常，电源轨问题看起来像是软件错误(不要问我们怎么知道的!)。

如果没有根据设计风险仔细评估该决策，电源子系统就可能成为另一个变色龙般的“未解决的问题”，设计团队需要努力跟上它的步伐，弄清楚它在做什么，并掌握最新变化的含义。

结论

电源及其轨道可能不像处理器或有线/无线通信链路和接口那样引人注目，也未受到重视。然而，它们是从手持智能手机和仪器仪表到服务器群和数据中心等高容量、高性能设计中成功、可靠设计的重要功能。

管理不同的电源轨并非易事，但有许多电源排序和 PMIC 选项可供选择，其功能可满足项目要求。这些解决方案包括简单的级联顺序 IC Enables 到具有高级功能的复杂、完全可编程 IC，能够建立和更改许多关键参数的值。