在通信系統的電路中,大多存在兩種以上的電源,實際工程應用中還常有蓄電池提供后備供電的情況,對于這些電路,在電壓變化的過程中,可能會引發電路無效復位或上電失敗的故障。對此,本文提出了一種實用的解決方案。

圖1: FPGA的上電加載機制。

隨著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和最為常見,近幾年隨著低功耗器件的大量使用,、、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。在同時使用多種電源時,可采用多種電源模塊,或采用一種電源模塊加多個直流電壓轉換器的方案,下面就兩種典型情況作簡單分析。

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-電源模塊。

其中5V電源模塊主要給電路內5V器件供電；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行更小電壓的轉換。這里應當指出,如果采用線性調壓器(LDO)進行小電壓轉換時,上級電壓通常采用,因為常用的、、與5V的壓降很大,在進行電壓轉換的時候將損失更多功率,同時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,存在上電順序的問題。如果5V達到穩定的時間比早,那么將可能造成如下問題:

a. 5V器件已經運行正常,而的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在MCU程序代碼里添加空轉等待語句,但是實際上仍然存在問題,見下面的分析。

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-的某品牌電源模塊在用蓄電池加電時,其電壓在上升過程中與達到穩定狀態前出現的較為嚴重的波動,測試其他電壓,也發現類似情況。

圖2:電源紋波示例。

從圖1、圖2可以分析到,FPGA在上電過程中需要自檢電壓,一旦所有要求的電壓值大于某個范圍就開始加載,而此時如果電壓波動較大,那么FPGA可能會加載失敗,因為當波動的電壓處于波峰時FPGA快速檢查電壓并可能通過,在FPGA加載正進行到下面某一步時,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在上電自檢的時候都有個監測電壓是否穩定的過程,加載失敗的情況基本上很少,不過大部分的FPGA對電壓都有嚴格的要求。

c.與b類似,很多ASIC專用芯片、CPLD在上電初始化的時候都需要有穩定的電壓,這里不再累述,可以參閱相關芯片資料。

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。其實采用單電源模塊的設計同樣面臨上面提到的問題。單電源模塊也存在上電順序先后的問題。因為電源模塊直接輸出5V,其他電壓值通過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程中出現的電壓擺動仍然會影響FPGA和ASIC的初始化。

解決方法

對應可能出現的問題,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候再去手動復位,這里可以考慮使用Maxim公司的MAX708芯片來完成自動復位的功能。

MAX708是一種微處理器電源監控芯片,可同時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、手動復位輸入或由獨立的比較器觸發。獨立的比較器可用于監視第二個電源信號。

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的這個特點來解決電路內MCU、FPGA、ASIC的上電復位問題。

圖3:利用MAX708實現上電復位應用。

如圖3所示,當PFI端子上的電壓值小于時,PFO端子將輸出低電平(平時為高)。由于PFI端子的這個特性,可以用它來監控電路上的電壓。在通信設備里,電路上一般含有5V、、、、的電壓值,應該屬于末級電壓,就是說通過直流電壓轉換器最后轉壓出來的,我們監控了最小電壓(),自然也就不必理會它的上級電壓了。

這里PFI上的電壓值大概為,當然電壓值越接近,電壓監控的靈敏度越高。可以用公式{(V_supply-V_PFI)/R1}=(V_PFI/R2)計算出需要的電阻比值。這里V_supply為,V_PFI為。

可以想象,電路上電過程中,的末級電壓如果沒有達到要求,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。因為兩個電源模塊相互獨立,5V和可能不是源于同一個電源模塊,所以在監控的同時也需要監控5V電壓。

當然,由于MAX708芯片本身的限制,它無法監控小于的電壓。但是在電信級設備中,功耗問題并不很迫切,所以這樣小的電壓基本上應用很少。

本文小結

電源波動造成的電路上電失敗故障,只是涉及電源可靠性的一個方面。這里舉的一個實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,也具有越來越多的驅動電壓,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行系統功能設計的同時,也將越來越多的面臨如何提高電源可靠性方面的挑戰。

作者:王科

光網絡部研發工程師

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大唐電信科技股份有限公司