電子發燒友App
利用MAX16046系統管理IC進行排序
CPU、ASIC、FPGA、存儲器等復雜器件通常需要電源排序。MAX16046提供高度集成的排序、監測和電源裕量調節解決方案。本應用筆記介紹了一個利用多個器件實現特定排序要求的示例，并給出了利用MAX16046實現該系統的具體步驟。
引言
現代電子器件具有復雜的供電要求，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計要求設計人員嚴格關注供電順序問題。每路電源都必須按照指定順序開啟，從而避免將復雜的多電壓供電IC內部的保護二極管正向偏置。如果只是簡單地同時開啟電源，IC可能存在可靠性問題，甚至閉鎖。
除電源排序外，某些系統還需要裕量調整。電壓裕量調整指通過控制電源電壓確保電壓處于容差范圍內，保證系統可靠運行。
Maxim提供多種電源管理方案，本應用筆記集中介紹了MAX16046，能夠對多達12路電源進行排序、監測和裕量調整。
系統示例
本文以下述假設系統為例，該系統是一塊帶有MPC8548處理器和Virtex? 5 FPGA的通用電路板，表1列出了該設計中復雜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規定了具體的供電順序，避免在一定時間內導致內部ESD二極管正向偏置。大規模多電源供電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：
- VDD
- AVDD_n, BVDD, LVDD, OVDD, SVDD, TVDD, XVDD
- GVDD
Virtex 5采用以下供電順序：
- VCCINT
- VCCAUX
- VCCO
每款器件都規定每路電源的最大上電時間為50ms。Virtex 5還要求電源的上升時間不得快于0.2ms。
圖1所示的方框圖可以很方便地實現電路的供電要求。
圖1. 電源框圖
由于3.3V DC-DC轉換器為下游所有負載點DC-DC轉換器供電，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存儲器提供VTT。
現在，我們確定了測試系統的電源排序和監測要求，接下來可以利用MAX16046構建系統。
利用MAX16046進行監測、排序和裕量調整
硬件配置
如上所述，MAX16046可對多達12路電源進行監測、排序和裕量調整。監測門限、供電順序、裕量參數以及其它配置值儲存在器件內部的EEPROM。可通過SMBus?或JTAG接口讀取實時監控數據，該數據有助于在開發期間檢查供電順序。
如果工作期間發生電源故障，MAX16046能夠自動關斷電源并觸發可配置故障輸出報警。該器件還可以配置為在內部EEPROM儲存故障信息，以便隨后進行分析，故障信息包括電源電壓和通道狀態。這一功能對于那些在實驗室運行正常，但在現場出現故障的電路板進行分析非常有幫助。一旦發生故障，將鎖存EEPROM，后續故障將不會覆蓋已經儲存的故障數據。
圖2中的局部電路顯示了MAX16046在圖1所示電源架構中的連接。MAX16046控制每路電源的使能輸入并監測輸出。該器件還控制用于3.3V I/O供電的串聯旁路MOSFET。MAX16046的DAC輸出連接到幾個電源的反饋點，實現裕量調整。
圖2. MAX16046的局部電路圖
圖3所示是MAX16046外圍的詳細電路圖，包括電源連接和在線編程連接。低電平有效的SYSTEM_RESET信號連接至MPC8548和Virtex 5的復位輸入。預警信號可以向MPC8548報警，啟動完全關斷和軟關斷模式；嚴重故障的指示信號可以連接到一個控制3.3V電源的鎖存器，在發生嚴重過壓事件時將其關斷(FAULT2完全可編程，但在本應用中設置為過壓監測)。看門狗定時器輸入WDI連接至MPC8548，使MAX16046能夠在MPC8548不能提供WDI時觸發SYSTEM_RESET。低電平有效的MARGINUP#和MARGINDN#連接至測試點TP1和TP2，在生產或原型評估期間用于裕量調整。
圖3. MAX16046詳細原理圖
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獲取故障信息或實時測量電壓值。應用筆記4285：“MAX16046–MAX16049 EEPROM可編程系統管理器的在線編程”詳細介紹了在線編程方法。
當EN電壓超過0.525V (典型值)時，MAX16046開始控制電源排序；當電壓下降至低于0.5V (典型值)時，MAX16046將對電源進行反向排序。在12V電源輸出端提供足夠大的電容對于確保成功完成反向排序至關重要。門限設置為11.7V，以便在發生這種情況時能夠提供足夠的電容儲能支持反向排序。對于軟關斷情況，亦可通過SMBus或JTAG控制電源。
與VCC串聯的二極管使VCC的電容能夠在故障狀態下向MAX16046供電。故障狀態存儲最多需要204ms將故障數據寫入至MAX16046的非易失EEPROM。利用MAX16046數據資料中的公式(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，無需研究寄存器映射或進行沒完沒了的計算。電路板上安裝的MAX16046通過以下幾個步驟完成配置：
第1步
將電源信息輸入配置軟件的設置標簽頁(見圖4)。
詳細圖片(PDF, 544kB)
圖4. 已輸入參數的MAX16046配置軟件的設置標簽頁
在類似電子表格的數據表中，每行表示一個電源。1.8V DDR2電源是雙輸出電源，所以該行添加了一個“子項”，表示第2路監測輸入。點擊該行，然后點擊Add Subitem按鈕為該電源添加額外的監測通道。
欠壓和過壓值以百分比輸入。點擊Write to Registers按鈕后，該軟件將自動計算將要加載至MAX16046寄存器的值。
如圖5所示，通過Margining Calculator輸入裕量調整參數。在給定電源的基準電壓和三個電阻值后，裕量調整計算器將自動計算電壓范圍，它將確定調高電壓裕量或調低電壓裕量所需要的寄存器值。
圖5. 3.3V電源的裕量調整計算器
第2步
打開排序標簽頁，從而確定供電順序。圖6所示為示例電路的供電順序。利用鼠標光標將電源電壓拖至適當的順序。通過點擊頂行帶下劃線的藍色鏈接設置電源之間的延遲，按照表2設置延遲。
表2. 時隙延遲
| 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 |
詳細圖片(PDF, 876kB)
圖6. 排序配置
第3步
打開通用標簽頁，設置可編程故障輸出、看門狗定時器及其它各種參數，圖7所示為通用參數標簽頁。
詳細圖片(PDF, 736kB)
圖7. 通用參數配置
GPIO1的Any Fault PP配置使其在發生排序故障或FAULT1和FAULT2任一條件為真時觸發報警(推挽式)。該信號送至MPC8548輸入端，指示發生故障。MPC8548可通過SMBus查詢MAX16046，確定故障原因。
GPIO6的Fault 2 PP配置使其在發生嚴重的過壓故障時觸發報警(推挽式)。GPIO6可以控制切斷電路板電源，防止損壞電路。觸發GPIO6報警的條件取決于FAULT2欄的選項框設置。
GPIO4配置為閉環跟蹤(INS4)，該通道用于控制3.3V IO電源。95%的電源就緒門限表示當串聯旁路MOSFET的源極電壓超過漏極電壓的95%時，電源進入就緒狀態。
復位超時設置為200ms。當所有電源電壓達到電源就緒狀態并保持200ms后，SYSTEM_RESET為邏輯高電平，使處理器和FPGA解除復位狀態。
看門狗定時器在解除SYSTEM_RESET后具有25.6s的初始啟動延時。該延時在觸發WDI之前為MPC8548提供了導入程序的時間。Dependent初始啟動延時從上電過程結束時開始計算。
其它Miscellaneous Timers參數包括：3.3V IO的Slew-Rate控制(400V/s)；1600ms的Auto-Retry延時，該延時使MAX16046在出現一次上電排序故障時經過1.6s延時后重試；Fault Up Timer/Fault Down Timer允許每路電源有25ms的時間上升到規定門限范圍內，或在斷電時下降到規定值。
完成所有配置參數設置后，即可將數據保存到一個文件進行批量編程，或保存到版本控制系統。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電路板后，可利用配置軟件的監測標簽頁進行原型評估。監測標簽頁利用MAX16046的ADC為每個電源提供實時電源電壓監測圖形。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。
詳細圖片(PDF, 824kB)
圖8.電壓監測截屏給出了排序結果
圖8所示為示例電路的電壓屏幕截圖，圖9所示為標出了電源電壓的示波器波形。可在3.3V IO電源上觀察閉環跟蹤的擺率。
詳細圖片(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配置軟件設置的順序和時序進行比較；它還必須與原始的供電順序要求一致。這種情況下測得的供電順序與上述規格一致。
可將兩個測試點TP1和TP2中的任意一個接地，使所有電源電壓上升或下降到預定值，以評估裕量調整功能。可利用MAX16046或獨立的伏特計測量電源電壓。
結論
MAX16046為復雜的多電源供電系統提供了一個簡單明了方案，用于電源排序、裕量調整和電源監測。MAX16046配置軟件簡化了對容限和供電順序的配置。
工商網監
評論