系統(tǒng)中多個電源軌的正確排序是一項關鍵功能，可以使用不同的方法來實現(xiàn)。

經(jīng)驗豐富的設計師知道，產(chǎn)品運行周期中最危險的時期之一是通電時。在此通電階段，多個電源軌中的每一個都必須以正確的順序在指定的時間窗口內(nèi)達到其標稱值，并且沒有瞬變、振鈴或過沖。

如果順序不正確，在最好的情況下，系統(tǒng)將無法正?！皢印?，或者其性能將不穩(wěn)定(但重試時可能會正常工作);在最壞的情況下，某些組件將損壞，這對于電源設備來說尤其危險。請注意，斷電可能有類似的時間要求，并存在損壞風險——當然，直到下次設備通電，設備不再像以前那樣工作。

高性能 IC(例如 FPGA)可能有六個或更多不同的直流電源軌，用于支持設備核心、RAM、內(nèi)部緩沖器和外部 I/O(例如 I 2 C、SPI、LVDS 和其他端口)。這些電源軌可能具有不同但間隔很近的標稱值，例如 1.2 V、1.5 V 和 1.7 V，或者其中幾個電源軌可能具有相同的標稱值，但公差或物理位置不同。同樣，高度集成、專用的 IC(例如 Wi-Fi 網(wǎng)絡節(jié)點)可能有多個電源軌來支持內(nèi)部功能以及行業(yè)標準所需的接口電壓或天線驅動器及其功率放大器的雙極電源。

電源軌數(shù)量并不止于單個 IC。此類電源軌的數(shù)量通常會隨著整個系統(tǒng)的增加而進一步增加，整個系統(tǒng)可能具有電機驅動器、功率 MOSFET/IGBT 或特殊通信接口(如以太網(wǎng)或甚至傳統(tǒng) RS-232/422 端口)。因此，無論物理尺寸如何，整個系統(tǒng)可能具有十個或更多由獨立直流穩(wěn)壓器(也稱為電源轉換器)供電的電源軌。

設計人員面臨的挑戰(zhàn)是確保在施加主電源時(無論是通過分立的開關還是等效的軟開關)，這些電源軌能夠按照精心設計的順序加電至其最終值(圖 1)。

圖 1. 多軌系統(tǒng)中的電源排序規(guī)定，只有在其他電源軌完全開啟后，或者其他電源軌的某個組合達到其最終值后，才能開啟某些電源軌;也可能有關閉要求，如由 Enpirion ES1021QI 控制的排序所示。

即使沒有永久性損壞，操作故障也可能是錯誤排序的不可接受的后果：考慮在電機控制軟件初始化并準備好控制這些 MOSFET 之前打開電機功率 MOSFET 的影響。這些問題也不一定與正式的上電事件有關;相反，它們可能是由于在“熱插拔”設計中插入電路板造成的。

為了解決這些問題，可以使用專門的電源管理 IC (PMIC) 來實現(xiàn)電源排序和定時。全功能 PMIC 允許設計工程師：

· 建立多個軌道間相互開啟/關閉的順序。

· 如果需要的話，控制每條軌道的上升/下降速率。

· 如果任何一條軌道出現(xiàn)故障，則管理各個軌道。

通常，電源軌之間的時序由電源軌電壓而不是絕對時間值和滯后決定，連續(xù)電源軌“開啟”的時間間隔為毫秒級。相互關系準則范圍很廣，從簡單(例如“僅在電源軌 A 開啟時開啟電源軌 B”)到更復雜(例如“僅在 A 和 B 電源軌都處于最終電壓時開啟電源軌 C”)。請注意，“開啟”由應用要求定義，通常是最終電源軌電壓的 90%，但在關鍵應用中，它可能在最終電壓的 5% 甚至 2% 內(nèi)達到。

盡管在大多數(shù)設計中，電壓才是關鍵，而不是時間本身，但有些設計卻以時序作為標準。如果設計人員知道特定電壓軌需要明確的時間才能達到所需值，那么這是可能的，而且時序比電壓更容易準確測量。

在這些情況下，諸如“一旦電源 B 開啟，就開啟電源 A 軌”這樣的規(guī)則被翻譯成“在 A 軌開啟 50 毫秒后開啟 B 軌”。然而，這種方法必須謹慎使用，因為除了“此時應該足夠好”之外，沒有其他方法可以驗證電源 A 軌是否真的達到了所需值。

一些 PMIC 集成了 DC/DC 穩(wěn)壓器(LDO 和開關)以及必要的排序。它們針對筆記本電腦等目標應用進行了優(yōu)化(CPU、內(nèi)存、顯示器、I/O 和其他標準功能)。雖然這些顯然非常適合預期應用，并且應該在此背景下考慮，但它們也固有地限制了設計人員為其他應用選擇電壓軌和類型的整體靈活性。

對電源進行排序的要求并非新鮮事物。例如，對于真空管(現(xiàn)在大部分真空管已被集成電路取代，只有 X 射線機或無線電/電視廣播發(fā)射機等特殊應用除外)而言，這是一項常見要求。真空管的燈絲可能必須打開并達到最終工作溫度，然后真空管的極板才能通過其“B+”電壓通電。對于 20 世紀 40 年代和 50 年代著名的五管 AM 收音機，此時間延遲為零，而對于 kW 級廣播發(fā)射機中使用的真空管，則為數(shù)分鐘。

有時，系統(tǒng)操作員會通過開/關開關手動執(zhí)行該順序;在其他情況下，則使用內(nèi)置計時器的特殊機電繼電器。當然，對于當今的大多數(shù)產(chǎn)品，尤其是針對大眾市場和普通消費者的產(chǎn)品，手動控制或基于繼電器的解決方案都不實用或不可取。

從物理層開始

在任何有關電源排序的討論中，都需要牢記兩個方面：來自定序器的控制信號和每個直流調(diào)節(jié)器的相應控制輸入。

圖 2. PMIC 的輸出用于直接控制電壓調(diào)節(jié)器或驅動外部分立 MOSFET，后者充當調(diào)節(jié)器輸出和電源軌本身之間的開關;此處，在電源 VX 和電源軌 VXOUT 之間的頂部有四個這樣的 MOSFET，其中 x 為 1、2、3 或 4。

顯然，序列發(fā)生器必須具有足夠的控制輸出，在某些情況下，還應提供一些擴展數(shù)量(如果需要)。這些輸出是簡單的邏輯級控制信號。

它們所啟用的互補直流穩(wěn)壓器必須具有單引腳使能 (EN) 輸入，或者用戶必須在穩(wěn)壓器輸出和其驅動的物理電源軌之間添加一個電子開關(通常是 MOSFET)，然后控制此開關(圖 2)。

通常，最好選擇具有簡單邏輯電平啟用控制的直流穩(wěn)壓器(如果可用)，或者選擇 PMIC，它可以直接驅動具有合適電流/電壓額定值的分立電源軌開/關 MOSFET，而不需要單獨的 MOSFET 驅動器。

在最簡單的順序排序情況下，當另一條軌道變?yōu)椤傲己谩睍r，每條軌道串聯(lián)打開，解決方案通常很簡單。如果每個前一條軌道的調(diào)節(jié)器都有一個“電源良好”(PG) 輸出，而下一個調(diào)節(jié)器有一個啟用控制輸入，則 PG 指示器連接到 EN 輸入。當?shù)谝粋€調(diào)節(jié)器發(fā)出 PG 信號時，它會自動打開下一個調(diào)節(jié)器，依此類推，形成一種“菊花鏈”漣漪效應(圖 3)。

圖 3. 在某些情況下，一種簡單但足夠的排序方法是讓一個穩(wěn)壓器的電源良好 (PG) 輸出按順序成為下一個穩(wěn)壓器的啟用 (EN) 輸入;這里，兩個按順序排列的德州儀器 TPS62085 降壓 (buck) 穩(wěn)壓器為直流電源軌 V OUT1和 V OUT2供電。

這種方法適用于任何數(shù)量的串聯(lián)直流穩(wěn)壓器，但這種優(yōu)點也是它的局限性：它們必須具有順序模式(盡管一個 PG 可以連接到多個 EN)，并且靈活性很差。此外，當一個電源必須等待指定的時間間隔才能開啟時，這種方法無法控制時序，也無法解決關閉順序問題，而這可能與開啟一樣重要。

為了克服其中一些問題，可以使用帶定時器控制的復位 IC 進行上電排序?？梢允褂霉爬隙喙δ艿?555 定時器 IC(或較新的變體)來控制排序，方法是在第一個軌道達到標稱窗口值后或軌道關閉后調(diào)用一個時間段。該時間段由用戶使用 555 的電阻在硬件中設置，因此它是由設計和 BOM 而不是固件確定的(圖 4)。雖然這看起來可能不是一種優(yōu)雅的方法，但它是一種有效的方法，尤其適用于只有在設計完成并評估原型板后才發(fā)現(xiàn)排序問題的情況(是的，這種情況確實會發(fā)生)。

圖 4. 某些設計中的另一個簡單的解決方案是使用簡單的 555 型 IC 作為基本計時器，以提供由電阻值設定的延遲。

對于具有更多供電軌且需要更大靈活性的系統(tǒng)，可以使用 ADI 公司/Maxim Integrated 公司的 MAX16029 等 PMIC 來實現(xiàn)四通道供電，用戶可以通過電容器對延時周期進行編程，從而避免內(nèi)存易失性或啟動問題(圖 5)。

圖 5. MAX16029 PMIC 使用電容器來編程四個獨立通道的時間延遲，并支持高達 28 V 的直流電軌。

四個通道彼此獨立，每個通道的輸出都可用于開漏配置，支持高達 28 V 的軌電壓，這是更高范圍的直流穩(wěn)壓器所需的。具有此功能的其他 PMIC 通過 PMBus 接口而不是電容器或電阻器來設置時序，因此可以菊花鏈連接以處理四個以上的軌。