降低可編程電源系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)險的方式

由于當(dāng)前復(fù)雜邏輯器件的多元化及不斷變化的電源要求，對于系統(tǒng)設(shè)計師來說，開發(fā)能夠滿足系統(tǒng)電源需求的電源系統(tǒng)也變得越發(fā)艱難。開發(fā)期間及開發(fā)之后，與電源電壓的調(diào)整需求相比，固定電壓電源系統(tǒng)的靈活性差，這會增大設(shè)計風(fēng)險，導(dǎo)致設(shè)計項(xiàng)目延遲甚至被取消。而可編程電源系統(tǒng)能夠滿足這種靈活性的需求，從而圓滿地解決這一問題。本文論述了可編程電源系統(tǒng)的優(yōu)勢和收益，并且討論了眾多降低系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)險的方法。

　　多年前，系統(tǒng)設(shè)計師在設(shè)計系統(tǒng)電源時相對容易一些。邏輯運(yùn)行需要5V電源，硬盤和軟盤驅(qū)動器需要 12V電源；系統(tǒng)其他器件采用雙電源電壓來運(yùn)行，或者可以添加一個負(fù)電壓電源。指定三種電源。易用性。

　　如今的復(fù)雜邏輯器件（FPGA、ASIC、SoC、ASSP等）有著更為復(fù)雜的電源要求。系統(tǒng)中一個芯片便有可能需要三種或四種電源電壓。更糟糕的是，多個電源電壓的啟動順序和定時對系統(tǒng)初始化起著至關(guān)重要的作用。斷電操作期間切斷電壓的順序?qū)π酒恼ＭC(jī)同樣重要，并且還能夠極為有效地防止電源對IC造成的損壞。復(fù)位線或者多個復(fù)位線與電源電壓之間的定時關(guān)系也同樣相當(dāng)重要。

　　此外，電源系統(tǒng)必須與當(dāng)前的許多復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時交互，并且必須能夠根據(jù)快速波動線和加載要求來實(shí)現(xiàn)實(shí)時重新配置。簡而言之，與從前相比，當(dāng)今復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的電源系統(tǒng)設(shè)計有著更為深遠(yuǎn)的考量，它促進(jìn)了電源管理系統(tǒng)的發(fā)展，與圖1所示一樣，這是為了滿足當(dāng)今越來越復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計需求。然而，與以往相比，系統(tǒng)設(shè)計師卻較少考慮到這些問題，這是由于他們更加關(guān)注極復(fù)雜邏輯系統(tǒng)的工作性能，以及大量相關(guān)固件是否能夠與硬件設(shè)計充分集成。

　　圖1,合并有電源管理系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計簡化框圖。

　　電源問題以及系統(tǒng)設(shè)計師的設(shè)計風(fēng)險

　　系統(tǒng)設(shè)計師需要定制電源以便處理當(dāng)今 FPGA、介質(zhì)處理器、ASIC、SoC和 ASSP 的電源需求。在未來，這一趨勢必然仍將持續(xù)，但是有許多設(shè)計師缺乏設(shè)計高效率開關(guān)電源所需的技能，也沒有時間去學(xué)習(xí)如何使用多個必要的傳統(tǒng)電源管理控制芯片來創(chuàng)建多電壓電源； 同時還缺乏進(jìn)行復(fù)雜計算的愿望，以及缺乏學(xué)習(xí)如何選擇不熟悉的電源元件如電源 FET和電源電感器的愿望。簡而言之，系統(tǒng)設(shè)計師在開發(fā)日益復(fù)雜的電源系統(tǒng)方面所花費(fèi)的時間越來越少。正由于所花的時間不夠，大大提高了設(shè)計電源時的風(fēng)險，導(dǎo)致電源不滿足要求，需要返工，因而延誤了產(chǎn)品的推出。

　　此外，系統(tǒng)設(shè)計師需要降低由于元件置換導(dǎo)致的設(shè)計要求變更風(fēng)險、降低由芯片電源規(guī)范更改而產(chǎn)生的設(shè)計風(fēng)險，或者減少在整個電源電壓調(diào)整期間對芯片性能進(jìn)行微調(diào)的需求，所有上述風(fēng)險系數(shù)都可通過利用可編程電源來緩和?？删幊屉娫纯梢愿鶕?jù)當(dāng)前系統(tǒng)元件不斷變化的要求，或者根據(jù)由于元件置換或系統(tǒng)擴(kuò)充而產(chǎn)生的新要求來調(diào)整。有一種極為有效的方法可以處理生產(chǎn)，下線前及生產(chǎn)，下線后的元件變化。

　　因此，系統(tǒng)設(shè)計師需要找到能夠快便捷地開發(fā)靈活插件板電源系統(tǒng)的新方法，該電源系統(tǒng)需能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行時的電源電壓重新編程，以處理未來在面對系統(tǒng)電源要求時的諸多未知難題。這種靈活且易于設(shè)計配置的電源系統(tǒng)可降低系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)險。同樣重要的是：這些可編程電源系統(tǒng)極大地增強(qiáng)了設(shè)計靈活性，從而降低了系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)險，卻不會提高電源成本。

　　電源發(fā)展趨勢

　　隨著當(dāng)前系統(tǒng)復(fù)雜性越來越高，其對電源的要求也不斷增長，電源系統(tǒng)需要擁有比以往更高的能力應(yīng)對當(dāng)前的復(fù)雜系統(tǒng)。除了需要更多樣的電源電壓、電源、復(fù)位順序以及偏移不靈敏性之外，當(dāng)前的系統(tǒng)設(shè)計還需要對電源電壓進(jìn)行更為精密的可編程控制，如 FPGA、介質(zhì)處理器、SoC和 ASSP等高級芯片足以充分證明此點(diǎn)，這些芯片是當(dāng)前系統(tǒng)的核心所在。例如，最高級的 FPGA 需要三種或四種電源電壓。

　　表1顯示了連續(xù)幾代 Xilinx Virtex和 Spartan FPGA所需的電源電壓。需注意的是，有些 FPGA需要兩種電源電壓，有些需要三種，全部三種電源電壓都可以假定每一代的電壓值均不相同，這取決于系統(tǒng)設(shè)計。

　　表1,Xilinx FPGA系列和各代產(chǎn)品的電源電壓。

　　其他 FPGA廠商（包括 Altera和 Lattice）對于電源的要求也呈現(xiàn)出相似性。表2顯示了 Altera的 FPGA產(chǎn)品系列擁有相似的電源電壓信息。

　　表2,Altera FPGA系列和各代產(chǎn)品的電源電壓。

表1和表2中所列的信息顯示了多種 FPGA電源電壓隨幾代元件的演變方式，因此與電源系統(tǒng)的討論息息相關(guān)。系統(tǒng)設(shè)計有可能需要適應(yīng)不同年代的FPGA或者采用不同核心電壓的不同產(chǎn)品系列的 FPGA.此外，這些相同的系統(tǒng)設(shè)計也有可能需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計中的其他芯片而滿足不同的 I/O電壓要求。

　　需注意的是，表1并未對 FPGA對電源系統(tǒng)所提出的要求做詳細(xì)說明。所有 FPGA廠商均規(guī)定了確保 FPGA正常運(yùn)行所需的每一電源電壓的最小及最大必要勻變時間（單位：微秒至毫秒）。在創(chuàng)建電源系統(tǒng)時，這是系統(tǒng)設(shè)計師必須考慮的另一個因素。勻變時間不可過快或過慢。

　　對介質(zhì)處理器、SoC、ASSP和 ASIC的電源電壓有著類似的限制。由于對電源沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此 IC設(shè)計小組可自由選擇完成設(shè)計所需的任何電源啟動方案。滿足不斷變化的電源電壓要求是他人的問題，而不由 IC設(shè)計小組負(fù)責(zé)。其他人通常指系統(tǒng)設(shè)計師。系統(tǒng)設(shè)計師負(fù)責(zé)滿足芯片的一切電壓和排序要求。當(dāng)一個系統(tǒng)設(shè)計中有多個復(fù)雜芯片時，電源的復(fù)雜性便會翻倍。如需進(jìn)一步提高復(fù)雜性，可以將一個芯片的排序要求修訂為下一個序列，這樣便會需要更為準(zhǔn)確的器件特性或者會導(dǎo)致設(shè)計變更。此時仍然由系統(tǒng)設(shè)計師負(fù)責(zé)滿足這些需求，無論這些需求是什么，也無論這些需求如何變化。

　　鑒于這些原因，從根本上逐步提高系統(tǒng)復(fù)雜性以及系統(tǒng)中所用芯片的復(fù)雜性時，需要將電源系統(tǒng)的能力改進(jìn)數(shù)倍，這就要求電源提供勻變倍數(shù)，并且精確控制各種電源軌之間的定時關(guān)系。若欲實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的上述高級能力，通過采用早期電源管理設(shè)計方法成本巨大或者根本無法實(shí)現(xiàn)。

　　系統(tǒng)設(shè)計師電源簡史

　　在查看創(chuàng)建可編程電源系統(tǒng)的潛在設(shè)計方法之前，我們來簡要回顧一下早期的方法，以便理解如今的系統(tǒng)設(shè)計為什么有著更多需求。插件板上或負(fù)載點(diǎn)（POL）電源系統(tǒng)基于現(xiàn)有的開關(guān)模式 PWM電源控制器和簡單電源管理芯片。早期的開關(guān)模式電源控制器采用易于理解的模擬 PID回路（比例，積分，微分回路）算法來調(diào)節(jié)電壓。這種設(shè)計表現(xiàn)良好但卻存在必須解決的設(shè)計問題。

　　首先，這種控制器對外部元件隨時間和溫度的偏移非常敏感。這種偏移不會影響調(diào)節(jié)精度，因此根本不會影響電源控制器的調(diào)節(jié)能力。所有調(diào)節(jié)能力的潛在損失只與回路穩(wěn)定性有關(guān)。如果精心設(shè)計的補(bǔ)償回路中的控制器元件與設(shè)計規(guī)范的偏移足夠大，則控制回路會變得不穩(wěn)定，并且控制器也根本不再進(jìn)行調(diào)節(jié)。對這一問題的解決方案是購買對偏移敏感度較低的更昂貴外部元件，對于對成本較為敏感的設(shè)計來說，這一替代方式通常不建議采納。那么當(dāng)前，哪些設(shè)計對成本不敏感呢？

　　第二個問題是系統(tǒng)兼容性。如之前所討論的那樣，有幾個與系統(tǒng)有關(guān)的問題，包括電源排序、各種插件板上電源和復(fù)位信號或多個信號間的定時關(guān)系、對一個或多個插件板上電源進(jìn)線微調(diào)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常操作的可能性。所有這些問題都需要超越單一的 PWM控制器芯片能力。

　　因此，IC廠商創(chuàng)造了能夠充當(dāng)“數(shù)字包封”的電源管理芯片。這些芯片可控制多個模擬 PWM控制器的加電排序，可針對電源系統(tǒng)的設(shè)計來產(chǎn)生一個多芯片解決方案。盡管這一方法最初可以估算電源電壓排序和復(fù)位定時所需的靈活性類型，但由于電壓被與PWM控制器芯片有關(guān)的外部元件所固定，因此不能滿足用來調(diào)整系統(tǒng)電源電壓的各種生產(chǎn)前及生產(chǎn)后的需求。此外，向包含多個 PWM控制器芯片的設(shè)計中添加電源管理芯片還會增添另一個芯片，這會提升成本、增大設(shè)計復(fù)雜性并且耗費(fèi)額外的面板空間。在看重設(shè)計空間尺寸的芯片中，這種電源系統(tǒng)設(shè)計解決方案會降低精密度。

　　現(xiàn)在我們需要什么？

　　我們現(xiàn)在需要的是一個可編程電源或者系統(tǒng)（PPS），它應(yīng)該能夠提供多種精細(xì)可編程電源電壓，并且在各個電源電壓之間提供可獨(dú)立調(diào)整的斜升和斜降時間以及可調(diào)的排序延時。這種電源系統(tǒng)設(shè)計為系統(tǒng)設(shè)計師提供了必要的設(shè)計靈活性。該系統(tǒng)如今未得到廣泛應(yīng)用的原因是其昂貴的價格。這種昂貴指的并不是基礎(chǔ)技術(shù)本身，而是由于電源 IC廠商以前未曾針對設(shè)計問題采用充分的硅集成等級。但是，這種狀況注定會發(fā)生變化，而且這種變化已見端倪。

　　正如 FPGA可以方便地針對新系統(tǒng)需求或者不斷變化的系統(tǒng)需求為系統(tǒng)設(shè)計師提供靈活的可編程序邏輯結(jié)構(gòu)一樣， PPS也能夠?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計提供一種可編程電源系統(tǒng)，以便匹配系統(tǒng)電源的所有變化或者新的要求?，F(xiàn)場可編程性為這兩種情況賦予了極大的靈活性。對于 PPS來說，由于需要將硅集成從原有的 PWM技術(shù)完全轉(zhuǎn)換為數(shù)字控制電源系統(tǒng)，因此靈活性的增強(qiáng)是免費(fèi)的。因此，系統(tǒng)設(shè)計師能夠顯著增強(qiáng)電源系統(tǒng)的特征而不會增加成本。

　　與以前開發(fā)數(shù)個固定穩(wěn)壓器的方法相比，可編程電源系統(tǒng)能夠更加緊密地匹配當(dāng)前復(fù)雜系統(tǒng)的需求。與過去相比，由于復(fù)雜 IC的電源電壓達(dá)到了前所未有的穩(wěn)定性，因此如今的系統(tǒng)設(shè)計師對靈活性的要求更高。從前制作的 FPGA、微型控制器、SoC和 ASIC擁有穩(wěn)定的電源電壓規(guī)格，但是新零件，特別是仍處于α或β采樣階段的新零件，在下一次修訂時就有可能提出不同的要求。只有可編程電源系統(tǒng)能夠滿足這種情況下所需的靈活性。

　　此外，有可能需要由可編程電源系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)元件的工作電壓來調(diào)整各種系統(tǒng)元件的運(yùn)行速度。當(dāng)工作電壓處于 1V時，對電源電壓進(jìn)行“微調(diào)”會變得越來越普遍。

　　但即便在這種靈活性下，PPS的設(shè)計仍然比傳統(tǒng)開關(guān)電源的設(shè)計更加簡便。PPS器件采用基于軟件的設(shè)計工具來支持，這樣能夠更加簡便地確定所需的電源電壓并且從設(shè)計工具中獲取所需的材料表（BOM）。此外，由于電源系統(tǒng)可編程，因此可以在電壓范圍內(nèi)調(diào)整電源系統(tǒng)的輸出，只需改動 PPS控制器的編程即可。對于某些 PPS控制器芯片來說，在系統(tǒng)操作期間，串行端口能夠讓插件板上的微型控制器來調(diào)整電源電壓。

　　PPS控制器還能夠?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計師帶來另一個實(shí)質(zhì)性的設(shè)計優(yōu)勢：只需了解一個器件，便可掌握21世紀(jì)系統(tǒng)所需的所有電源電壓范圍。了解一個器件以及與該器件有關(guān)的一個軟件設(shè)計工具便能夠讓系統(tǒng)設(shè)計師掌握所有電源要求-初始要求、開發(fā)要求以及操作要求-這樣能夠簡化產(chǎn)品電源系統(tǒng)的設(shè)計。

　　為可編程電源控制器芯片提供17種降低風(fēng)險的方式

　　當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計師在其設(shè)計中采用了各種不同的復(fù)雜邏輯器件時，PPS控制器 IC能夠讓他們以更為簡便的方式滿足電源需求。PPS控制器至少有 17種可以降低風(fēng)險的具體方式：

　?。?）一個 PPS控制器 IC可替換多個電源管理控制器，并且相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計有一個由集成電源系統(tǒng)管理器控制的可配置 PPS設(shè)計，這簡化了插件板上的電源管理以及負(fù)載點(diǎn)的電源電壓調(diào)節(jié)，同時提高了整個可編程性范圍內(nèi)的電源可控性，以相同或者更低的BOM成本實(shí)現(xiàn)了更高的能力和更大的靈活性。