- 多電源供電系統無(wú)效復位分析
- 使用電源監控芯片控制復位
隨著(zhù)通信設備復雜程度的提高，工程應用對設備的可靠性要求也隨之提高。各種電源配送方案在工程運用上得到了廣泛的應用，在有后備電池供電的應用上，由于供電系統的切換，通信設備內各部件將面臨一次上電初始化的考驗。
電路上電問(wèn)題分析
現在通信機房大多采用-48V直流電源，而電子元器件一般采用低電壓供電，以5V和3.3V最為常見(jiàn)，近幾年隨著(zhù)低功耗器件的大量使用，1.5V、1.8V、2.5V電源也被采用。電路設計中往往采用DC-DC電源轉化模塊提供二次電源。在同時(shí)使用多種電源時(shí)，可采用多種電源模塊，或采用一種電源模塊加多個(gè)直流電壓轉換器的方案，下面就兩種典型情況作簡(jiǎn)單分析。
1．采用多電源模塊設計的電路
這種設計一般包括1只48-5V電源模塊和1只48-3.3V電源模塊。
其中5V電源模塊主要給電路內5V器件供電；3.3V電源模塊主要給電路內FPGA、ASIC供電，以及供給直流電壓轉換器進(jìn)行更小電壓的轉換。這里應當指出，如果采用線(xiàn)性調壓器(LDO)進(jìn)行小電壓轉換時(shí)，上級電壓通常采用3.3V，因為常用的1.5V、1.8V、2.5V與5V的壓降很大，在進(jìn)行電壓轉換的時(shí)候將損失更多功率，同時(shí)增加系統的散熱負擔。
對于這種設計，由于不同電源模塊的指標差異，存在上電順序的問(wèn)題。如果5V達到穩定的時(shí)間比3.3V早，那么將可能造成如下問(wèn)題：
a. 5V器件已經(jīng)運行正常，而3.3V的FPGA、ASIC還未加載或初始化完畢。如果電路內MCU單元為5V供電，那么MCU初始化FPGA和ASIC失敗，電路工作將不正常，這種情況理論上可以通過(guò)在MCU程序代碼里添加空轉等待語(yǔ)句，但是實(shí)際上仍然存在問(wèn)題，見(jiàn)下面的分析。
b. FPGA加載失敗。圖1顯示了一般可編程邏輯器件的上電加載機制。圖2顯示了48-3.3V的某品牌電源模塊在用蓄電池加電時(shí)，其電壓在上升過(guò)程中與達到穩定狀態(tài)前出現的較為嚴重
的波動(dòng)，測試其他電壓，也發(fā)現類(lèi)似情況。
圖1: FPGA的上電加載機制。 圖2：電源紋波示例。
從圖1、圖2可以分析到，FPGA在上電過(guò)程中需要自檢電壓，一旦所有要求的電壓值大于某個(gè)范圍就開(kāi)始加載，而此時(shí)如果電壓波動(dòng)較大，那么FPGA可能會(huì )加載失敗，因為當波動(dòng)的電壓處于波峰時(shí)FPGA快速檢查電壓并可能通過(guò)，在FPGA加載正進(jìn)行到下面某一步時(shí)，電壓值突然下降直至波谷，那么FPGA的后續加載操作將異常。當然，現在不少FPGA在上電自檢的時(shí)候都有個(gè)監測電壓是否穩定的過(guò)程，加載失敗的情況基本上很少，不過(guò)大部分的FPGA對電壓都有嚴格的要求。
c.與b類(lèi)似，很多ASIC專(zhuān)用芯片、CPLD在上電初始化的時(shí)候都需要有穩定的電壓，這里不再累述，可以參閱相關(guān)芯片資料。[page]
2.采用單電源模塊設計的電路
目前在系統設計中，為了兼容各種電壓也常采用48-5V單電源模塊和加直流電壓轉換器的方案。其實(shí)采用單電源模塊的設計同樣面臨上面提到的問(wèn)題。單電源模塊也存在上電順序先后的問(wèn)題。因為電源模塊直接輸出5V，其他電壓值通過(guò)直流電壓轉換器轉換，因此小于5V的電壓上電肯定晚于5V。
在蓄電池供電的情況下，由于蓄電池的本身特性，在上電的時(shí)候其電壓是緩慢上升的，由于現在DC-DC模塊的設計差異，某些模塊在慢上電的過(guò)程中出現的電壓擺動(dòng)仍然會(huì )影響FPGA和ASIC的初始化。
解決方法
對應可能出現的問(wèn)題，可以找到相應的解決方法。在前文分析的第一種情況(采用多電源模塊)下，對應a，可以復位MCU；對應b，可以復位FPGA；對應c，可以復位相關(guān)芯片。對于第2種情況(采用單電源模塊)，復位相應的芯片也可以解決問(wèn)題。所以最直接有效的方法就是復位。
當然我們不可能等到故障出現的時(shí)候再去手動(dòng)復位，這里可以考慮使用Maxim公司的MAX708芯片來(lái)完成自動(dòng)復位的功能。
MAX708是一種微處理器電源監控芯片，可同時(shí)輸出高電平有效和低電平有效的復位信號。復位信號可由VCC 電壓、手動(dòng)復位輸入或由獨立的比較器觸發(fā)。獨立的比較器可用于監視第二個(gè)電源信號。
在電路設計中，MCU單元一般由51單片機構成，單片機的復位信號是高有效。一般FPGA和ASIC的復位信號都是低有效。由于MAX708可同時(shí)輸出高電平有效和低電平有效的復位信號，因此可以利用MAX708的這個(gè)特點(diǎn)來(lái)解決電路內MCU、FPGA、ASIC的上電復位問(wèn)題。
圖3：利用MAX708實(shí)現上電復位應用。
如圖3所示，當PFI端子上的電壓值小于1.25V時(shí)，PFO端子將輸出低電平(平時(shí)為高)。由于PFI端子的這個(gè)特性，可以用它來(lái)監控電路上的1.5V電壓。在通信設備里，電路上一般含有5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V的電壓值，1.5V應該屬于末級電壓，就是說(shuō)通過(guò)直流電壓轉換器最后轉壓出來(lái)的，我們監控了最小電壓(1.5V)，自然也就不必理會(huì )它的上級電壓了。
這里PFI上的電壓值大概為1.3V，當然電壓值越接近1.25V，電壓監控的靈敏度越高?？梢杂霉絳(Vsupply－VPFI)/R1}=(VPFI/R2)計算出需要的電阻比值。這里Vsupply為1.5V，VPFI為1.3V。
可以想象，電路上電過(guò)程中，1.5V的末級電壓如果沒(méi)有達到要求，復位信號將一直存在，包括給MCU的RST復位信號，和給其它芯片的低電平有效的復位信號。圖3中的MREST為手動(dòng)添加的復位信號。
需要指出的是，MAX708本身可以監控VCC電壓(這里為5V)，這對電路采用多電源模塊的設計是很有用的。因為兩個(gè)電源模塊相互獨立，5V和1.5V可能不是源于同一個(gè)電源模塊，所以在監控1.5V的同時(shí)也需要監控5V電壓。
當然，由于MAX708芯片本身的限制，它無(wú)法監控小于1.25V的電壓。但是在電信級設備中，功耗問(wèn)題并不很迫切，所以這樣小的電壓基本上應用很少。
電源波動(dòng)造成的電路上電失敗故障，只是涉及電源可靠性的一個(gè)方面。這里舉的一個(gè)實(shí)際應用的例子可能并不適合于各種情況，其目的只是在于提醒設計人員在有關(guān)電源設計中可能存在的隱患?，F在，FPGA和ASIC在降低功耗的同時(shí)，也具有越來(lái)越多的驅動(dòng)電壓，某些器件還特別對各種電壓的上電順序有嚴格的要求。硬件工程師在應用這些器件進(jìn)行系統功能設計的同時(shí)，也將越來(lái)越多的面臨如何提高電源可靠性方面的挑戰。
