如何控制电源时序

中心议题：
    *  电源时序控制

上电考量
　　
人们常常想当然地为印刷电路板上的电路上电，殊不知这可能造成破坏以及有损或无损闩锁状况。这些问题可能并不突出，直到量产开始，器件和设计的容差接受检验时才被发现，但为时已晚，项目和产品的时间及交货将会受到极大影响，成本大幅攀升。为了解决这一阶段中发现的错误，将需要进行大量修改，包括PCB布局变更、设计更改和额外的异常现象等。
　　
随着集成电路（IC）时代的到来，许多功能模块被集成到一个IC中，因而需要利用多个电源为这些模块供电。这些电源的电压有时候相同，但更多时候是不同的。市场上的片上系统（SoC） IC越来越多，这就产生了对电源进行时序控制和管理的需求ADI公司的数据手册通常会提供足够的信息，指导设计工程师针对各IC设计正确的上电序列。然而，某些IC明确要求定义恰当的上电序列。对于ADI公司的许多IC,情况都是如此。在使用多个电源的IC中，如转换器（包括模数转换器ADC和数模转换器DAC）、数字信号处理器（DSP）、音频/视频、射频及许多其它混合信号IC中，这一要求相当常见。本质上，包含某种带数字引擎的模拟输入/输出的IC都属于这一类，可能需要特定的电源时序控制。这些IC可能有独立的模拟电源和数字电源，某些甚至还有数字输入/输出电源，详情请参阅下文讨论的具体示例。
　　
本文讨论设计工程师在新设计中必须考虑的某些更微妙的电源问题，特别是当IC需要多个不同的电源时。目前，一些较常用的电源电压是：+1.8 V、+2.0 V、+2.5 V、+3.3 V、+5 V、-5 V、+12 V和-12 V.
　　
ADI公司在全球销售的产品超过10,000种，但本应用笔记的讨论范围仅限于几款ADC.不过，这些电源时序考虑实际上可以应用于ADI公司的任何混合信号IC.
　　
PULSAR ADC示例--绝对最大额定值
　　
ADI公司的所有数据手册都含有"绝对最大额定值"（AMR）部分，它说明为避免造成破坏，对引脚或器件可以施加的最大电压、电流或温度。
　　
AD7654 PulSAR 16位ADC是采用三个（或更多）独立电源的混合信号ADC的范例。这些ADC需要数字电源（DVDD）、模拟电源（AVDD）和数字输入/输出电源（OVDD）。它们是ADC,用于将模拟信号转换成数字代码，因此需要一个模拟内核来处理传入的模拟输入。数字内核负责处理位判断过程和控制逻辑。I/O内核用于设置数字输出的电平，以便与主机逻辑接口（电平转换）。ADC的电源规格可以在相应数据手册的"绝对最大额定值"部分找到。表1摘自AD7654 （Rev. B）数据手册的"绝对最大额定值"部分。

表1. AD7654的绝对最大额定值（Rev. B）
　　
注意，表1中所有三个电源的范围都是-0.3 V至+7 V.相对于DVDD和OVDD,AVDD的范围是+7 V至-7 V,这就确认了AVDD和DVDD无论哪一个先上电都是可行的。此外，AVDD和OVDD无论哪一个先上电也是可行的。然而，DVDD与OVDD之间存在限制。技术规格规定，OVDD最多只能比DVDD高0.3 V,因此DVDD必须在OVDD之前或与之同时上电。如果OVDD先上电（假设5 V），则DVDD在上电时比OVDD低5 V,这不符合"绝对最大额定值"要求，可能会损坏器件。
　　
模拟输入INAx、INBx、REFx、INxN和REFGND的限制是：这些输入不得超过AVDD + 0.3 V或AGND ? 0.3 V.这说明，如果模拟信号或基准电压源先于AVDD存在，则模拟内核很可能会上电到闩锁状态。这通常是一种无损状况，但流经AVDD的电流很容易逐步升至标称电流的10倍，导致ADC变得相当热。这种情况下，内部静电放电（ESD）二极管变为正偏，进而使模拟电源上电。为解决这个问题，输入和/或基准电压源在ADC上电时应处于未上电或未连接状态。
　　
同样，数字输入电压范围为？0.3 V至DVDD + 0.3 V.这说明，数字输入必须小于DVDD + 0.3 V.因此，在上电时，DVDD必须先于微处理器/逻辑接口电路或与之同时上电。
　　
与上述模拟内核情况相似，这些引脚上的ESD二极管也可能变为正偏，使数字内核上电到未知状态。
　　
AD7621、AD7622、AD7623、AD7641和AD7643等PulSARADC速度更快，是该系列的新型器件，采用更低的2.5 V电源（AD7654则采用5 V电源）。AD7621和AD7623具有明确规定的上电序列。表2摘自AD7621 （Rev. 0）数据手册的"绝对最大额定值"部分。

表2. AD7621的绝对最大额定值（Rev. 0）
　　
 

同样，OVDD与DVDD之间存在限制。"绝对最大额定值"规定：OVDD必须小于或等于DVDD + 0.3 V,而DVDD则必须小于2.3 V.一旦DVDD在上电期间达到2.3 V,该限制便不再适用。如果不遵守该限制，AD7621（和AD7623）可能会受损（见图1）。
　　
因此，一般上电序列可能是这样的：AVDD、DVDD、OVDD、VREF.但是，每个应用都不一样，需要具体分析。注意，器件关断与器件上电同样重要，切记遵守同样的规格要求。图1所示为AD7621的典型上电/关断序列。

图1. 可能的上电/关断序列-AD7621 （Rev. 0）
　　
对于这些ADC,模拟输入和基准电压源的情况与上文所述相同。对任何模拟输入引脚施加电压都可能导致ESD二极管变为正偏，从而使模拟内核上电到未知状态。
　　
这些ADC的数字输入和输出略有不同，因为这些器件应支持5 V数字输入。这些ADC是AD7654的速度升级版本，数字输入和输出均与OVDD电源相关，因为它能支持更高的3.3 V电压。
　　
注意：数字输入限制为5.5 V,而AD7654则为DVDD + 0.3 V.
　　
∑-△型ADC示例。
　　
AD7794 ∑-△型24位ADC是另一个很好的例子。表3摘自AD7794 （Rev. D）数据手册的"绝对最大额定值"部分。

表3. AD7794的绝对最大额定值(Rev. D)
　　
该ADC的问题与基准电压有关，它必须小于AVDD + 0.3 V.
　　
因此，AVDD必须先于基准电压或与之同时上电。
　　
电源时序控制器
　　
ADI公司提供许多电源时序控制器件。一般而言，其工作原理是：当第一个调节器的输出电压达到预设阈值时，就会开始一段时间延迟，延迟结束后才会使能后续调节器上电。关断期间的程序与此相似。时序控制器也可以用于控制电源良好信号等逻辑信号的时序，例如：对器件或微处理器施加一个复位信号，或者简单地指示所有电源均有效。
　　
建议
　　
如今大部分要求高速和低功耗的电路PCB上都需要多个电源，例如：+1.8 V、+2.0 V、+2.5 V、+3.3 V、+5 V、-5 V、+12 V和-12 V.为PCB上的这些电源供电并不是一件轻而易举的事情。必须仔细分析，设计一个正确可靠的上电和关断序列。采用分立设计变得越来越困难，解决之道就是采用电源时序控制IC,只要改变一下代码就能改变上电顺序，而不用变更PCB布局布线。