可靠性案例分享多电源电路的可靠性设计案例

Posted 2021-04-19 硬件十万个为什么

在通信系统的电路中，大多存在两种以上的电源，实际工程应用中还常有蓄电池提供后备供电的情况，对于这些电路，在电压变化的过程中，可能会引发电路无效复位或上电失败的故障。对此，本文提出了一种实用的解决方案。

图1: FPGA的上电加载机制。

随着通信设备复杂程度的提高，工程应用对设备的可靠性要求也随之提高。各种电源配送方案在工程运用上得到了广泛的应用，在有后备电池供电的应用上，由于供电系统的切换，通信设备内各部件将面临一次上电初始化的考验。

电路上电问题分析

现在通信机房大多采用-48V直流电源，而电子元器件一般采用低电压供电，以5V和3.3V最为常见，近几年随着低功耗器件的大量使用，1.5V、1.8V、2.5V电源也被采用。电路设计中往往采用DC-DC电源转化模块提供二次电源。在同时使用多种电源时，可采用多种电源模块，或采用一种电源模块加多个直流电压转换器的方案，下面就两种典型情况作简单分析。

1．采用多电源模块设计的电路

这种设计一般包括1只48-5V电源模块和1只48-3.3V电源模块。其中5V电源模块主要给电路内5V器件供电；3.3V电源模块主要给电路内FPGA、ASIC供电，以及供给直流电压转换器进行更小电压的转换。这里应当指出，如果采用线性调压器(LDO)进行小电压转换时，上级电压通常采用3.3V，因为常用的1.5V、1.8V、2.5V与5V的压降很大，在进行电压转换的时候将损失更多功率，同时增加系统的散热负担。

对于这种设计，由于不同电源模块的指标差异，存在上电顺序的问题。如果5V达到稳定的时间比3.3V早，那么将可能造成如下问题：

a. 5V器件已经运行正常，而3.3V的FPGA、ASIC还未加载或初始化完毕。如果电路内MCU单元为5V供电，那么MCU初始化FPGA和ASIC失败，电路工作将不正常，这种情况理论上可以通过在MCU程序代码里添加空转等待语句，但是实际上仍然存在问题，见下面的分析。

b. FPGA加载失败。图1显示了一般可编程逻辑器件的上电加载机制。图2显示了48-3.3V的某品牌电源模块在用蓄电池加电时，其电压在上升过程中与达到稳定状态前出现的较为严重的波动，测试其他电压，也发现类似情况。

从图1、图2可以分析到，FPGA在上电过程中需要自检电压，一旦所有要求的电压值大于某个范围就开始加载，而此时如果电压波动较大，那么FPGA可能会加载失败，因为当波动的电压处于波峰时FPGA快速检查电压并可能通过，在FPGA加载正进行到下面某一步时，电压值突然下降直至波谷，那么FPGA的后续加载操作将异常。当然，现在不少FPGA在上电自检的时候都有个监测电压是否稳定的过程，加载失败的情况基本上很少，不过大部分的FPGA对电压都有严格的要求。

图2：电源纹波示例。

c.与b类似，很多ASIC专用芯片、CPLD在上电初始化的时候都需要有稳定的电压，这里不再累述，可以参阅相关芯片资料。

2.采用单电源模块设计的电路

目前在系统设计中，为了兼容各种电压也常采用48-5V单电源模块和加直流电压转换器的方案。其实采用单电源模块的设计同样面临上面提到的问题。单电源模块也存在上电顺序先后的问题。因为电源模块直接输出5V，其他电压值通过直流电压转换器转换，因此小于5V的电压上电肯定晚于5V。

在蓄电池供电的情况下，由于蓄电池的本身特性，在上电的时候其电压是缓慢上升的，由于现在DC-DC模块的设计差异，某些模块在慢上电的过程中出现的电压摆动仍然会影响FPGA和ASIC的初始化。

解决方法

对应可能出现的问题，可以找到相应的解决方法。在前文分析的第一种情况(采用多电源模块)下，对应a，可以复位MCU；对应b，可以复位FPGA；对应c，可以复位相关芯片。对于第2种情况(采用单电源模块)，复位相应的芯片也可以解决问题。所以最直接有效的方法就是复位。

当然我们不可能等到故障出现的时候再去手动复位，这里可以考虑使用Maxim公司的MAX708芯片来完成自动复位的功能。

MAX708是一种微处理器电源监控芯片，可同时输出高电平有效和低电平有效的复位信号。复位信号可由VCC 电压、手动复位输入或由独立的比较器触发。独立的比较器可用于监视第二个电源信号。在电路设计中，MCU单元一般由51单片机构成，单片机的复位信号是高有效。一般FPGA和ASIC的复位信号都是低有效。由于MAX708可同时输出高电平有效和低电平有效的复位信号，因此可以利用MAX708的这个特点来解决电路内MCU、FPGA、ASIC的上电复位问题。

如图3所示，当PFI端子上的电压值小于1.25V时，PFO端子将输出低电平(平时为高)。由于PFI端子的这个特性，可以用它来监控电路上的1.5V电压。在通信设备里，电路上一般含有5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V的电压值，1.5V应该属于末级电压，就是说通过直流电压转换器最后转压出来的，我们监控了最小电压(1.5V)，自然也就不必理会它的上级电压了。

图3：利用MAX708实现上电复位应用。

这里PFI上的电压值大概为1.3V，当然电压值越接近1.25V，电压监控的灵敏度越高。可以用公式{(Vsupply－VPFI)/R1}=(VPFI/R2)计算出需要的电阻比值。这里Vsupply为1.5V，VPFI为1.3V。

可以想象，电路上电过程中，1.5V的末级电压如果没有达到要求，复位信号将一直存在，包括给MCU的RST复位信号，和给其它芯片的低电平有效的复位信号。图3中的MREST为手动添加的复位信号。

需要指出的是，MAX708本身可以监控VCC电压(这里为5V)，这对电路采用多电源模块的设计是很有用的。因为两个电源模块相互独立，5V和1.5V可能不是源于同一个电源模块，所以在监控1.5V的同时也需要监控5V电压。

当然，由于MAX708芯片本身的限制，它无法监控小于1.25V的电压。但是在电信级设备中，功耗问题并不很迫切，所以这样小的电压基本上应用很少。

本文小结

电源波动造成的电路上电失败故障，只是涉及电源可靠性的一个方面。这里举的一个实际应用的例子可能并不适合于各种情况，其目的只是在于提醒设计人员在有关电源设计中可能存在的隐患。

现在，FPGA和ASIC在降低功耗的同时，也具有越来越多的驱动电压，某些器件还特别对各种电压的上电顺序有严格的要求。硬件工程师在应用这些器件进行系统功能设计的同时，也将越来越多的面临如何提高电源可靠性方面的挑战。

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