解決系統(tǒng)設計人員的上電排序需求

在數(shù)字MOS半導體器件的系統(tǒng)電源啟動和關(guān)閉期間，防止意外施加電源會導致電源尖峰、總線爭用甚至破壞性閂鎖情況非常重要。按預定順序使用受控電源應用是控制電源行為并防止這些意外行為的一種方法。

兩個或多個內(nèi)部電壓域之間的邏輯互連

當MOS半導體器件的輸入電壓在MOS器件的電源之前上升時，電路有可能表現(xiàn)出不良行為。這種行為通常與數(shù)字設備有關(guān)，因為模擬設備在啟動或以不受控制的方式關(guān)閉時不太容易受到影響。圖 1 顯示了可能發(fā)生此類問題的示例情況;請注意，兩個電壓域可以跨越單獨的器件，也可以跨越單片器件（如FPGA），其中邏輯信號必須在兩個或多個內(nèi)部電壓域之間交叉。

圖1 –域之間的邏輯互連

防止不受約束的啟動序列

當器件處于掉電狀態(tài)時，所有節(jié)點均處于0V，并且沒有電源，這意味著電路中沒有電流流動。這是啟動時的初始條件，如果沒有對啟動序列施加約束，則每個域的電壓將在上電時上升，這是每個電壓調(diào)節(jié)電路、穩(wěn)壓器看到的負載、系統(tǒng)濾波和旁路電容以及其他設計特定考慮因素的函數(shù)，因此對電壓上升的速度和兩個電壓之間的距離沒有限制。這一點很重要，因為保持電源低于二極管壓降（標稱條件下為<0.7，<溫度范圍內(nèi)為0.3V）是我們在許多情況下希望在啟動和工作期間防止的條件之一。穩(wěn)壓器的規(guī)格無法準確預測電壓上升時間，因為系統(tǒng)中的負載將與數(shù)據(jù)手冊中測試條件假設的負載不同。

圖2顯示了一個示例，說明當輸出電源在MOS數(shù)字輸入之前啟動時，輸出想要上拉至“H”電壓，而輸入側(cè)的電源仍為0V。發(fā)生這種情況時，MOS輸入晶體管的狀態(tài)是不確定的，因此可能發(fā)生各種各樣的事情，包括一種稱為“閂鎖”的現(xiàn)象。

圖2 –不受約束的啟動順序

邏輯門原理圖及其匹配布局

當施加的電壓導致雙極結(jié)型晶體管（BJT）意外導通，通過低阻抗連接將電源接地或其他一些較低電位時，就會發(fā)生閂鎖。當BJT由于意外的電壓條件而正向偏置時，BJT可以是有意的（設計的一部分），但在單片MOS IC中，它通常是由存在的固有寄生PN結(jié)形成的無意的。當兩個這樣的寄生PN結(jié)形成PNPN器件（如可控硅整流器（SCR）或晶閘管）時，它們可能會閂鎖并導致非常高的電流，從而導致IC局部發(fā)熱，從而導致永久性損壞。典型邏輯門原理圖及其匹配布局示例，以虛線形式顯示產(chǎn)生的寄生電路。

圖3 –邏輯門原理圖和布局示例

當以正確的順序施加電源時，除非觸發(fā)，否則這些寄生電路是良性的。當觸發(fā)源由天然來源提供時，例如電離輻射，可以觸發(fā)閂鎖，但在大多數(shù)地面使用案例中，這種情況極為罕見;空間應用就是這樣一個例子，其中確實需要抗輻射設計。在典型使用中，需要過壓或電流注入源來觸發(fā)SCR，因此需要控制良好的啟動序列，以防止在啟動期間提供觸發(fā)源。一旦觸發(fā)閂鎖，停止閂鎖的唯一方法是移除施加的電壓并中斷電流。

上電時可能發(fā)生損壞情況的另一種方式是，當輸入是單獨IC的一部分時，ESD保護器件是設計的一部分。它們通常具有最大輸入電壓額定值，這指定輸入端的最大電壓只能超過電源電壓，例如0.3V。這是為了防止輸入電壓超過ESD器件的導通電壓。當ESD器件正向偏置時，大電流從引腳流向器件的電源連接，并可能損壞器件。

這些只是啟動序列不受控制時可能發(fā)生的最具破壞性的例子;在其他情況下，物理損壞不是問題?？偩€爭用、毛刺、壓降和其他類型的損害較小，但當電源循環(huán)期間發(fā)生電壓電位差時，可能會出現(xiàn)惱人的行為。

許多信息來源表明，正確的啟動順序是內(nèi)核邏輯電壓首先出現(xiàn)，然后是輸入/輸出電壓和外圍器件。以這種方式從內(nèi)到外開始只是一個經(jīng)驗法則;然而，例如，ESD網(wǎng)絡在產(chǎn)品中的連接方式可能意味著標準的經(jīng)驗法則假設是不合適的。應檢查每個產(chǎn)品的文檔，了解建議的啟動順序是什么，然后檢查將所有這些要求融合在一起的整個系統(tǒng)啟動順序。應該注意的是，在某些情況下，在啟動時，系統(tǒng)旁路和濾波電容器中存儲了剩余功率，這可能會使啟動復雜化。當電源短暫中斷（稱為掉電）時，可能會發(fā)生這種情況，然后在系統(tǒng)電源完全放電之前重新接通電源。它也可能發(fā)生在系統(tǒng)中，無論出于何種原因，系統(tǒng)在供電時未完全放電。這是需要關(guān)斷排序的地方，以確保有序關(guān)斷不會造成損壞，并確保系統(tǒng)處于安全啟動狀態(tài)。關(guān)斷順序的詳細處理超出了本博客文章的范圍，但一般來說，關(guān)閉的正確順序是反轉(zhuǎn)啟動序列的順序。

僅使用分立式電源管理器件可能難以實現(xiàn)電源排序;它們通常不具備支持跨多個電源軌協(xié)調(diào)的復雜電源排序的功能集。設計這樣的解決方案需要大量的工程工作，通常需要額外的組件，并且如果存在任何在預生產(chǎn)測試中未發(fā)現(xiàn)的設計敏感性，則可能會在生產(chǎn)中涉及一些風險。

集成電源管理 （PMIC），內(nèi)置電源排序支持

另一種方法是使用集成度更高的PMIC，該PMIC內(nèi)置了對電源排序的支持，以及在這些情況下可能有用的其他功能。請注意，并非所有PMIC都具有這些功能，并且由于沒有一種放之四海而皆準的電源排序方法，因此當它們具有這些功能時，它們可能并不完全適合給定設計，但是當它們具有時，它們?yōu)槭褂蒙贁?shù)分立器件提供了有效的解決方案。

我們的 PMIC（電源管理 IC）如 MCP16501 和 MCP16502 在設計時考慮了啟動和關(guān)斷電源排序，并具有支持 SAMA5DX/SAM9X60/SAM7G 系統(tǒng)所需功能的特性。MIC7400 和 MIC7401 也是標準產(chǎn)品 PMIC，提供電源排序功能，有助于解決系統(tǒng)設計人員的電源排序需求。

審核編輯：郭婷