功率管理：用混合信号FPGA控制电压攀升率

引言(混合信号FPGA控制多电平系统的电压攀升率)：随着工艺尺度不断缩小，器件常常需要多个电源。为了减小功耗和最大限度地提高性能，器件的核心部分一般趋向于在低电压下工作。为了与传统的器件接口，或与现有的I/O标准配合，I/O接口的工作电平往往与核心部分不同，一般都高于核心部分的工作电压。器件通常支持电平各不相同 (1.8V、2.5V 或 3.3V)的多个I/O组件。为能重新配置器件或对器件重新编程，通常还需要支持另外一个电源。显然，这些电源间相互关联，以及电源数量的增加，会大大增加板级电源管理的复杂性。

     采用现场可编程门阵列 (FPGA)、数字信号处理器 (DSP) 和专用集成电路 (ASIC) 的设计可能需要4到5个，甚至更多的电源，需要按照预先设定的顺序和电压攀升率完成上电，从而避免诸如闭锁、涌流或I/O口争夺等问题。此外，许多应用都要求上电顺序和电压攀升率可调节，以适应不同的应用情况。 为了满足这些应用要求，功率系统管理部分必须具备上电即用的能力，这样，它才能对多个模拟电压输入进行采样和监控。功率系统的管理器要基于系统需求，以适当的电压攀升率顺序启动多个电源。该管理器还需具灵活性，能调节出不同的上电顺序和电压攀升率，并记住上电顺序和电压攀升率控制中使用的参数。

具有上电即用功能的混合信号FPGA在这种类型的功率管理控制上具有很多优势。这种FPGA在单芯片中集成了大容量的嵌入 Flash内存块、可编程逻辑和可配置模拟构件。由于集成了大容量的嵌入Flash内存块，因此能让设计人员实现众多的任务，包括记录系统历史运行性能、更新工作参数、监视系统参数以预见可能发生的故障 (即预报功能)、EEPROM仿真，以及启动代码存储。除电源管理外，这种器件还能被用于控制开关电压的攀升率。这种FPGA对模拟系统进行适当配置，可实现对多达30路模拟信号进行采样和监视；同时利用栅极驱动电流能控制多个电源的上电顺序和电压攀升率的可编程特性，控制多达10个栅极驱动电路。 利用混合信号 FPGA(如 Actel 的 Fusion PSC) 的这种可编程栅极驱动电路来控制电源电压的攀升率，四线模拟 I/O 结构 (参见图 1) 是个关键。四线模拟 I/O 由 4 个 I/O 端构成，包括模拟电压输入 (AV)、模拟电流输入 (AC)、模拟温度输入 (AT)，以及单栅极驱动输出 (AG)。AV、AC 和 AT 用于在将模拟信号送到可配置的 12 位逐次逼近寄存器 (SAR) 实现的模数转换器 (ADC) 前，对信号进行预调。四线模拟输入的电压承受能力达 12 V ± 10%。该四线模拟结构在预定标值、正负电压范围，以及 I/O 功能上有很大的可配置范围。

如果设计人员能采用这种四线模拟结构和ADC，混合信号FPGA就可为实现上电顺序管理和电压攀升率控制提供智能、简洁及灵活的解决方案。这种方案不需要外接电阻网络、比较电路或MOSFET驱动电路之类的部件，因而能大幅节省板卡空间和降低系统成本。而且，还能实现真正的上电顺序管理，且不依赖于主电源的上升时间。 要实现对上电顺序和上电电压攀升率的控制，可配置混合信号FPGA，使其不断地监视各个电源。该FPGA能根据用户定义的条件来开启功率MOSFET管，为负载提供所需的功率。用户可利用其电压监视功能，及预先定义的电源开启条件，在另一电源达到某一电平时开启该电源，或在另一电源开启后经一定延迟后再开启该电源。同时，用户还可选择栅极驱动电流来控制各个电源的上电攀升率；这个功能是针对外部的P型或N型MOSFET而设计。 图1所示为典型的功率控制配置。在该配置中，AV和AC代表供电侧或电源，AT在负载侧，并有一个由AG输出控制的外接MOSFET来控制供给负载的功率。AV监视电源电压。 一旦电源达到用户设定的电平并稳定下来，就可用AG来开启MOSFET，使负载侧上电。栅极驱动是可配置的电流源，需要有一个上拉电阻或下拉电阻 (见图2)。

                     图 2：AG 连接

AG和外接功率MOSFET决定负载侧电源的开关电压攀升率。我们将通过下面给出的例子来说明如何确定和控制这个攀升率。电源电压 = Vsupply = 5V 上拉电阻 = Rpullup = 300 Ω AG 输出电流 = Ig = 10 µA 功率MOSFET： 阈值电压 = VT = 1V 电容 (栅极和源极) = Cgs = 10 nF 电容 (栅极和漏极) = Cgd = 2 nF 图 2：AG 连接 对本例而言，电源 (Vsupply) 在时刻0之前就已启动。AV测量该电压，并已设定Vsupply应最终稳定在5V。此时，栅极关断且无电流流过；栅极电压 (Vg) 也是5V。AG驱动在时刻0就开启，并开始形成10 µA (Ig)的汇流。 Vsupply = 5V RpullupVloaddgsPowerMOSFETCgdCgs Ig 在最初一段时间，Vg将下降，直到栅极和源极间的电压超过阈值电压 (Vt)。该电压下降速率由dV/dt = Ig/Cgs决定 (一次近似)。Cgd是电压的非线性函数，通常被称为密勒 (Miller) 电容。在这个区域，漏极到栅极只有很小的电流，因此密勒电容非常小，此时Cgs占主导。 一旦Vgs超过Vt，MOSFET开启。在这个区域，由于密勒电容已被充电，Vgs处于恒定。漏极电压 (Vd) 此时攀升，其攀升率由下面的方程确定：：

                   dV/dt = Ig/Cgd = 10 µA / 2nF = 5V/mS. 方程1

当 Vd 达到 Vsupply，密勒电容被充电，Vg 将再次开始下降。而 Vgs 将继续增加，直到 Vgs = Ig x Rpullup = 10 µA x 300Ω = 3V。由于 MOSFET 已完全工作在Vsupply=5V 电源电压下，此时，Vd = 5V，Vd = Vsupply – Vgs = 2 V。 选择 MOSFET 必需小心，要根据系统的要求来选择。选择 Rpullup 也要小心。如果Rpullup 太大，MOSFET 的 Vgs 就可能超过额定值，造成灾难性后果。 在电源电压一定的情况下，Ig 和 Cgd 决定电源电压攀升到最终值的速率。图 3 给出了电源电压值 (Vsupply)，以及上电期间的 Vg 和 Vd。 用户可预设对应功率MOSFET管的各个Fusion栅极驱动的驱动电流来控制电源的电压攀升速率。Fusion栅极驱动有4个驱动电流级别可选：µA、3 µA、10 µA和30 µA。本例中，栅极驱动电流 (Ig) 被选为10 µA，用它来控制Cgd固定为2 nF的功率MOSFET，就将5V电源的电压攀升速率定为5 V/ms。用户只要选择不同的栅极驱动电流，或选择具有不同特性的功率MOSFET，就可轻松改变电压攀升速率。 由于针对上电顺序和电压攀升速率的所有控制逻辑和时序功能都在 FPGA 器件实现，因此完全可由用户来配置和控制。如果设计需求变更，无论是在开发期间，甚至在产品已经发布后，只需简单进行配置就可以完成功率管理方案的升级。 相同的概念可用于一个系统中的每一个电源。混合信号FPGA能控制多达10个电源，且受控电源电压可达12V。一旦各个电源的电压攀升率经编程设定，就能解决这些电源的上电顺序问题。 构建和维系合适的功率环境对于系统的正确运行是非常关键的。混合信号FPGA具有上电即用及单电源工作的优势，能监视板卡上各电源的工作情况，控制它们的上电顺序，从而实现对板卡初始化过程的控制。混合信号FPGA可配置，因而适用于任何板卡的功率管理需求。除能控制各电源的上电顺序外，混合信号FPGA还可轻松及高效地控制各电源的电压攀升速率。该功能对于确保系统处理器件 (包括DSP、微控制器和SRAM FPGA) 的正常工作至关重要。