高性能IC器件如FPGA一般都要求多條獨立的直流電源軌來給器件內(nèi)核、RAM、內(nèi)部緩存、外部擴展I/O如I2C、SPI、LVDS以及其它端口提供電源。這些電源軌可能是不同規(guī)格的，但是差距也一般很小如1.2V、1.5V和1.7V，有時這些電源軌也具有同樣的電壓值，但是耐壓能力或者物理布局位置可能不一樣。例如WiFi網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用的高集成度的專業(yè)應(yīng)用IC就可能集成了多條電源軌，支持不同的網(wǎng)路功能以及不同行業(yè)標準所要求的接口電壓。在天線驅(qū)動器和功率放大器應(yīng)用場景也具備雙向供電特性。

電源軌的數(shù)量不僅僅面向單一的IC器件，它面向的是整個完整的系統(tǒng)，電源軌的數(shù)量也在不斷的增加，比如增加電動機驅(qū)動、驅(qū)動MOSFET/IGBT、其他一些專用通信接口如以太網(wǎng)、RS-232/422接口。因此無論板卡尺寸大小，一個完整的系統(tǒng)可能需要更多的電源軌，完全可以采用一個獨立的DC電源調(diào)節(jié)器來驅(qū)動(也可以成為電源轉(zhuǎn)換器)。

設(shè)計者的問題

設(shè)計者的問題是當我們采用主電源的時候——無論是具體的實際開關(guān)還是軟件控制的開關(guān)——這些電源軌必須按照之前精心設(shè)計的次序上電并達到最終穩(wěn)定值(當關(guān)閉電源操作時也要按照制定的斷電次序);如圖1所示，如果次序和相對時序不正確或者電壓上升和下架的波動頻率明顯會隊電路造成不可挽回的損壞。

電源軌系統(tǒng)的上電次序一般是某些電源軌必須在其他電源軌上電后或者達到穩(wěn)定值后才能上電，關(guān)閉的次序也大致如此，如上圖是Altera Enpirion ES1021QI的電源軌上電次序(來源：Altera公司)

盡管有時候不會造成不可挽回的破壞，但是錯誤的上電次序可能會導(dǎo)致操作異常也會造成一些我們不能夠接受的結(jié)果:比如我們給驅(qū)動電動機的MOSFET上電了，但是電動機控制軟件還沒有初始化完成，控制MOSFET的操作還沒有就緒會產(chǎn)生哪些影響。當然這些問題也不一定與正常的上電順序有關(guān)系，也可能是與系統(tǒng)電路板卡的熱插拔設(shè)計有關(guān)。

為了解決這些問題我們需要采用專業(yè)的電源管理IC(PMIC)來實現(xiàn)電源的上電次序和時序。功能全滿的PMIC能夠幫助工程師完成以下工作：

? 建立多電源軌之間有序的上電/關(guān)閉次序，互不影響

? 如果需要的話能夠控制電壓波動(上升/下降)的頻率

? 任何一個電源軌出現(xiàn)問題不影響對其他電源軌的管理

實際上不同電源軌之間的時序是與電源軌的電壓相關(guān)的而不是絕對的延遲時間，不同電源軌連續(xù)上電的時間間隔是以毫秒為單位的。上電規(guī)則有時很簡單，比如“電源軌A上電完成再給電源軌B上電”，當然有時也很復(fù)雜，比如“只有當電源軌A和B的電壓都達到穩(wěn)定值才給電源軌C上電”。(注意：“上電”的定義是根據(jù)不同應(yīng)用要求來設(shè)置的，大部分是最終穩(wěn)定電壓的90%，但是某些嚴格的應(yīng)用場景要求達到最終電壓1%以內(nèi))。

盡管在大部分應(yīng)用中對于電壓是嚴格的，而不是時間間隔，但是一些應(yīng)用將設(shè)計的替換時間作為標準。這種情況是可能的，如果工程師知道某個具體的電源軌能夠在合理的時間內(nèi)達到期望的電壓值，那么相比電壓值，時序也更加容易精確的測量。在這些具體的場景中，比如“電源軌B上電完成后立刻給電源軌A上電”就可以具體規(guī)定為“電源軌A上電50毫秒后給電源軌B上電”。然而這種方法在實際應(yīng)用是必須非常小心，因為我們不能驗證電源軌A是否達到了期望的電壓值，而不是說“在這段時間它應(yīng)該上電完成了”。

基于正極狀態(tài)/反饋來確定電源軌的次序

有趣的是在一些應(yīng)用中時間周期比較長，不能用毫秒來表示。在這些應(yīng)用情形中，讓另一個電源軌上電之前可能已經(jīng)過去幾秒鐘或者更長的時間。舉個例子，比如加熱器首先必須達到要求溫度才能進行其他操作，還比如系統(tǒng)處理器必須進行校正操作才能向高壓或者高功率子系統(tǒng)供電，但是如果我們還沒有對某個關(guān)鍵的傳感器參數(shù)進行驗證就輸出高電壓，可能會造成電子系統(tǒng)的損壞。

一些電源管理IC集成了DC/DC轉(zhuǎn)換器(LDO和切換開關(guān))，提供必要的上電時序，并且對某些目標應(yīng)用場景如筆記本電腦(涉及CPU、內(nèi)存、顯示器、I/O和其它標準功能)進行了優(yōu)化。盡管這些優(yōu)化很適合目標應(yīng)用場景，并且應(yīng)該進行這樣的設(shè)置，但是從本質(zhì)上來看這會限制工程師對電源軌電壓和其它應(yīng)用類型選擇的靈活性。

按一定次序給系統(tǒng)上電不是新出現(xiàn)的要求，例如真空管已經(jīng)快被IC所淘汰了，除非一些特性的應(yīng)用比如X射線發(fā)生器或者無線電/電視廣播發(fā)射器——這是普遍存在的要求：燈絲必須通電并且達到最終的操作溫度，金屬板才會別“B+”電壓所激發(fā)釋放電子。對于五管AM收音機來講這個延遲時間可能是零，對于千瓦級別的廣播發(fā)射器而言可能要持續(xù)很多分鐘。這個任務(wù)有時是系統(tǒng)操作員通過打開/關(guān)閉開關(guān)手動完成的，在其它一些場景，我們可以采用專用的電磁機械繼電器，它內(nèi)部集成了定時器。當然不管是手動操作還是基于繼電器的解決方案對于采用FPGA的產(chǎn)品來講都是可行的，這樣的收音設(shè)備可以放在口袋或者公文包里面。

從底層設(shè)計開始

在供電次序的討論中，很容易就會涉及到不同電源軌的管理策略上，電源軌的控制是底層最基本的問題，我們要注意到有兩個問題需要解決：定序器輸出的控制信號以及每個DC調(diào)壓器輸入的響應(yīng)控制信號。

首先對于第一個因素，定序器的選擇必須有完善的控制信號輸出，當然如果需要還需要提供一定數(shù)量的擴展信號。這段輸出端口都很簡單，一般采用單個GPIO(通用I/O端口)。

對于第二個因素，DC調(diào)壓器必須有一個使能輸入管腳，或者在調(diào)壓器輸入和電源軌之間增加電子開關(guān)(通常采用MOSFET)，用于控制這個開關(guān)。

不同的解決方案，更廣泛的靈活性

定序一般被認為是電源管理IC的功能，但是這是存在歧義的。一些電源管理IC有定序功能而其他一些電源管理IC則增加了其他功能特性，例如過電流或者過電壓保護。盡管這些提升看似很值得，但是這些功能有些重疊，甚至直接與電源調(diào)壓器的功能產(chǎn)生了沖突。其他電源管理IC沒有定序功能，但是集成了監(jiān)測和報告電源軌狀態(tài)功能。因此確定正確的定序解決方案不僅要參考電源管理IC解決方案也要參考非電源管理IC解決方案。

最簡單的情形就是順序上電，也就是說每個電源軌在前一個電源軌上電完成后開始打開電源上電，這種方案是最簡單不過的了。如果每個電源軌調(diào)壓器都有“power good”(PG)信號輸出，下一個調(diào)壓器設(shè)置“enable”(EN)使能控制輸入，PG管腳連接到EN使能輸入管腳，當?shù)谝粋€調(diào)壓器輸出PG信號就會自動讓下一個調(diào)壓器打開上電，如圖3所示電路連接。

這種方法是個任意多個DC調(diào)壓器的順序連接，但是這種方案的效果也是有限的。盡管采用的是順序模式(PG管腳可以連接到不止一個EN管腳)，但是靈活性很差。而且這種方法也不能控制時序，比如某個電源需要等待一定的間隔時間才能夠上電，也不能夠解決關(guān)閉次序，況且這與上電次序同等重要。

為了克服這些問題，帶有定時器控制的復(fù)位IC可以用于上電次序，功能強大且靈活的555定時器IC(或者改進版)可以用于控制次序，可以在第一個電源軌達到穩(wěn)定電壓或者關(guān)閉后引入一定的時間間隔。這個時間間隔可以通過調(diào)整555定時器的某個硬件電阻來實現(xiàn)，因此這些問題可以通過設(shè)計和BOM來就解決，而不是固件。盡管這看似不是一個很好的解決方法，但是確實非常高效的一種，尤其是當定序問題是可見的就非常有用了，我們需要條件硬件原型板卡就可以了。