利用標(biāo)準(zhǔn)化的可編程電源管理方案優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)

1. 選擇各種DC-DC 轉(zhuǎn)換器為PCB供電；

2. 電源啟閉排序/跟蹤；

3. 電壓監(jiān)測(cè)；

4. 上述全部。

在本文中，電源管理被簡(jiǎn)單定義為：對(duì)PCB上的全部電源實(shí)施管理(包括：DC-DC轉(zhuǎn)換器、LDO等)。電源管理包括如下功能：管理PCB上DC-DC控制器。例如，熱插拔、軟啟動(dòng)、排序、追蹤、容限和規(guī)整；生成全部相關(guān)的電源狀態(tài)和控制邏輯信號(hào)。例如，復(fù)位信號(hào)生成、電源故障指示(監(jiān)控)和電壓管理。圖1演示了一個(gè)采用CPU或微處理器的PCB上的典型電源管理功能；熱插拔/軟啟動(dòng)控制功能用于限制浪涌電流以減小電源的啟動(dòng)負(fù)載。對(duì)插入有源(live)基板的PCB來(lái)說(shuō)，這是個(gè)重要功能；電源排序和跟蹤功能用于在滿足PCB上的全部器件對(duì)上電順序要求的前提下，控制如何開(kāi)/關(guān)多個(gè)電源。對(duì)所有電壓進(jìn)行故障(過(guò)/欠壓)監(jiān)測(cè)以向處理器就即將發(fā)生的電源故障進(jìn)行預(yù)警。該功能也被稱為“監(jiān)管功能”。

圖1：PCB上的典型電源管理功能。

在處理器上電時(shí)，復(fù)位生成功能為處理器提供可靠的啟動(dòng)條件。有些處理器要求在處理器全部工作電源都穩(wěn)定后，復(fù)位信號(hào)仍保留一段時(shí)間。這也被稱為復(fù)位脈沖展延。復(fù)位發(fā)生器的功能是當(dāng)電源發(fā)生故障時(shí)，使處理器保持在復(fù)位模式以防止板上閃存發(fā)生不希望的錯(cuò)誤。

傳統(tǒng)電源管理方案的局限性

傳統(tǒng)上，PCB上的每一電源管理功能是分別由單獨(dú)的功能IC實(shí)現(xiàn)的。對(duì)不同的電壓組合，這些IC有不同型號(hào)。這樣，就有來(lái)自不同廠家的數(shù)百個(gè)單一功能IC型號(hào)以滿足不同的電源管理需要。例如，為選擇一款復(fù)位發(fā)生器IC型號(hào)，必須提供以下信息：

1. 該復(fù)位發(fā)生器IC需監(jiān)測(cè)的電壓路數(shù)；

2. 電壓的組合(3.3、2.5、1.2或 3.3、2.5、1.8等)；

3. 故障檢測(cè)電壓的%(3.3V-5%、3.3V-10%等)；

4. 精度(3%、2%、1.5%等)；

5. 借助外接電容控制的復(fù)位脈沖展延功能；

6. 手動(dòng)復(fù)位輸入。

為處理這些參數(shù)所有可能的變化，單就一個(gè)復(fù)位發(fā)生器IC來(lái)說(shuō)，僅一家廠商就可有幾百個(gè)型號(hào)。另外，若在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需監(jiān)測(cè)另一個(gè)電壓(很可能)，則必須選另一個(gè)不同型號(hào)的產(chǎn)品。類似，許多單一功能IC即使僅就同一個(gè)功能、根據(jù)不同參數(shù)也會(huì)有許多型號(hào)，如熱插拔控制器、電源排序器和電壓監(jiān)測(cè)/檢測(cè)器等功能IC。一個(gè)由多塊PCB構(gòu)成的系統(tǒng)的每塊PCB都需要不同組的這些單功能IC，從而也增加的材料成本。

PCB設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不斷增加

若單功能電源管理IC的使用曾經(jīng)還可管理的話，那也都是往事舊話了。許多PCB現(xiàn)一般使用若干多電壓器件，每個(gè)器件有不同的上電順序。工藝節(jié)點(diǎn)越精微的器件需要的電壓越低，但電流加大。設(shè)計(jì)師常常需要利用每個(gè)多電壓電源IC的一個(gè)負(fù)載點(diǎn)。這樣，PCB上使用的電源數(shù)將增加。隨著電源電壓回路的增加以及需多個(gè)排序管理，電源管理變得更復(fù)雜。

隨著PCB設(shè)計(jì)變得日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的電源管理方案變得更難以招架。目前，利用傳統(tǒng)單功能IC實(shí)現(xiàn)電源管理的設(shè)計(jì)師或不得不放棄監(jiān)測(cè)某些電壓或針對(duì)每一電源管理功能選用多個(gè)單功能器件。以下兩種方法都不可取。

1． 加大了PCB面積降低了可靠性

單功能IC數(shù)的增加以及隨之而來(lái)的其間的互連不僅增加了PCB面積，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度看，還降低了PCB的可靠性。例如，有可能增加組裝出錯(cuò)概率，從而導(dǎo)致不可預(yù)見(jiàn)(肯定是不好)的結(jié)果。

2．第二供貨渠道以及設(shè)計(jì)妥協(xié)

若單功能器件是從不同供應(yīng)商處選購(gòu)的，則增加了因哪怕只有其中一個(gè)器件不能按時(shí)到位而導(dǎo)致的生產(chǎn)延誤風(fēng)險(xiǎn)。這又反過(guò)來(lái)導(dǎo)致對(duì)第二供貨渠道的需求。但，第二渠道會(huì)降低設(shè)計(jì)工程師的器件可用性，從而因這些拿不到手的器件迫使設(shè)計(jì)師不得已犧牲PCB的故障監(jiān)控覆蓋范圍。

組裝和測(cè)試費(fèi)用與系統(tǒng)中所用的器件數(shù)成正比。而器件單位成本與購(gòu)買批量成反比。因在一個(gè)給定系統(tǒng)中需要許多器件，而構(gòu)造系統(tǒng)所需的每種器件都變少，所以增加了總體系統(tǒng)成本。例如，假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)有10塊PCB，每年將制造1,000個(gè)這樣的系統(tǒng)。若每塊PCB采用單功能IC實(shí)現(xiàn)電源管理，則為了完成設(shè)計(jì)大概需要10種不同的單功能IC。則這些單功能IC每年的需求量是1,000塊。批量1,000時(shí)的單價(jià)當(dāng)然高于批量10,000時(shí)的單價(jià)，所以，與全部PCB都采用同一種單功能電源管理IC的方案比，前一種電源管理方案的成本肯定高。

采用多個(gè)單功能IC器件實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)電源管理方案已成1980年代的陳年舊事，那時(shí)，數(shù)字設(shè)計(jì)師利用TTL門來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯功能。隨著PCB復(fù)雜性的增加，設(shè)計(jì)師不得不在是選用固定功能的ASIC還是增加所用的TTL門的數(shù)量這兩個(gè)方案間選擇。不奇怪，系統(tǒng)設(shè)計(jì)所用的TTL器件數(shù)在急劇增加。

可編程邏輯器件(PLD)的出現(xiàn)使設(shè)計(jì)師可在給定的PCB單位面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多功能且還縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。因降低了系統(tǒng)所用的器件數(shù)，所以還降低了總體系統(tǒng)成本。因可在多個(gè)設(shè)計(jì)中使用同一個(gè)PLD，所以減少了系統(tǒng)所用器件數(shù)。公司能在不犧牲每塊PCB所需功能的前提下，對(duì)少量PLD器件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

管理少量的PLD比管理很多TTL門要容易地多。相同的PLD可被用于多個(gè)PCB設(shè)計(jì)，從而減少甚至不再需要第二家供貨渠道。設(shè)計(jì)師可在設(shè)計(jì)投板前，用軟件仿真設(shè)計(jì)，從而增加了一次成功的機(jī)會(huì)。目前，利用單功能電源管理IC就像過(guò)去采用TTL門一樣老套。設(shè)計(jì)當(dāng)今復(fù)雜的PCB需要“電源管理PLD”。的確，采用這種器件現(xiàn)應(yīng)是PCB設(shè)計(jì)的一種要約。

可編程電源管理方案

圖2顯示了一個(gè)采用單一可編程電源管理器件的典型PCB電源管理實(shí)現(xiàn)。可編程電源管理器件需要可編程模擬和數(shù)字部分以簡(jiǎn)化多個(gè)傳統(tǒng)單功能電源管理器件的整合。設(shè)計(jì)師可配置可編程模擬部分以監(jiān)測(cè)一組電壓組合而不必求助采用一個(gè)專門配置、廠家編程的單功能器件。

圖2：一個(gè)可編程電源管理器件可取代多個(gè)單功能IC。

需要用電源管理器件的可編程數(shù)字部分來(lái)定義針對(duì)PCB的邏輯，該邏輯結(jié)合可編程電源監(jiān)測(cè)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)諸如復(fù)位生成、電源故障中斷生成以及各個(gè)電源的排序。一個(gè)基于軟件的可編程設(shè)計(jì)方法論使電源管理器件能提供多種針對(duì)具體PCB的電源管理功能。

利用可編程電源管理器件

萊迪思半導(dǎo)體(Lattice Semiconductor)的Power Manager II器件是可編程電源管理器件的一個(gè)例子。Power Manager II整合了若干數(shù)字和模擬單元以支持多個(gè)單功能電源管理器件的整合。圖3是Power Manager II器件的框圖。圖3中所示的器件是Power1014A，它是Power Manager II系列中的一款產(chǎn)品。Power1014A可監(jiān)測(cè)10種電源電壓、帶有14個(gè)輸出，可實(shí)現(xiàn)全部電源管理功能。Power1014A利用20個(gè)片上可編程精準(zhǔn)門限比較器實(shí)現(xiàn)多達(dá)10組電壓的過(guò)/欠壓監(jiān)測(cè)，典型監(jiān)測(cè)精度是0.3%。數(shù)字監(jiān)測(cè)輸入可用于連接諸如手動(dòng)復(fù)位、電源和關(guān)斷等數(shù)字信號(hào)。

圖3：萊迪思半導(dǎo)體的Power Manager II系列器件架構(gòu)。

Power1014A有4個(gè)定時(shí)器，每個(gè)的編程范圍都是從32μs到2s，其間有122個(gè)步進(jìn)。這些定時(shí)器可用于控制排序延時(shí)、復(fù)位脈沖展延以及看門狗定時(shí)器。12路漏極開(kāi)路輸出可由片上的24宏單元CPLD驅(qū)動(dòng)來(lái)使能DC-DC轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)排序、為CPU生成復(fù)位信號(hào)及驅(qū)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)熱插拔功能的P溝道MOSFET。Power1014A還有兩個(gè)高壓(到12V)MOSFET驅(qū)動(dòng)器通過(guò)N溝道使能電源、或?qū)崿F(xiàn)軟啟動(dòng)功能以及在負(fù)電壓電源上實(shí)現(xiàn)熱插拔功能。任何微處理器，借助片上的10位A/D轉(zhuǎn)換器、通過(guò)I²C總線可測(cè)量任一組電源電壓。該I²C總線還可用于監(jiān)測(cè)電源比較器、輸入和輸出狀態(tài)。

可編程能力使電源管理標(biāo)準(zhǔn)化

通過(guò)簡(jiǎn)單地再配置可編程器件，設(shè)計(jì)師可借助一個(gè)可編程電源管理器件實(shí)現(xiàn)全部特定PCB電源管理功能。相同的可編程器件可被用于多個(gè)PCB而不是采用多個(gè)單功能IC。因此，設(shè)計(jì)師可在整個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)對(duì)單一可編程電源管理器件實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化。將電源管理功能整合進(jìn)單一可編程電源管理器件并在多個(gè)PCB上利用同一器件，具有如下好處：

1. 縮小PCB體積、增加可靠性

將多個(gè)單功能IC集成進(jìn)一個(gè)器件的主要好處是減小了PCB面積。減少的器件數(shù)及相應(yīng)的互連走線縮小了PCB面積并降低了成本。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度看，減少了的器件數(shù)還增加了PCB的可靠性。

2. 滿足復(fù)雜電源管理需求的能力

當(dāng)今PCB上所用的電源數(shù)在增加。另外，監(jiān)測(cè)和控制功能的復(fù)雜性也在增加。因可編程電源管理器件整合了更多的電源監(jiān)測(cè)輸入(與單功能IC比)以及可編程數(shù)字邏輯部分，所以這些器件更適合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電源管理功能。另外，可編程性提供能快速調(diào)適以滿足改變的規(guī)范要求的靈活性。

3. 無(wú)需第二個(gè)供貨渠道

一般來(lái)說(shuō)，第二渠道是為了規(guī)避因無(wú)法獲得器件造成生產(chǎn)延誤而采取的防范措施。一個(gè)典型系統(tǒng)實(shí)際上需來(lái)自不同供應(yīng)商的多個(gè)小規(guī)模單功能器件的現(xiàn)實(shí)加劇了該需求。借助在所有PCB和項(xiàng)目中對(duì)單一可編程電源管理器件實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)既費(fèi)時(shí)又浪費(fèi)資源的第二渠道的需求可被顯著降低甚至徹底不再需要。

4. 降低總體系統(tǒng)成本

可編程電源管理器件一般來(lái)說(shuō)比單獨(dú)的各單功能IC的總和價(jià)要便宜。另外，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的多個(gè)PCB實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化電源管理，因批量加大折扣更高，又進(jìn)一步降低了成本。

5. 可用軟件實(shí)現(xiàn)電源管理功能

在利用由軟件實(shí)現(xiàn)的可編程電源管理器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。典型情況，利用板上模擬器，軟件設(shè)計(jì)工具還支持對(duì)電源管理算法的驗(yàn)證。因電源管理設(shè)計(jì)在投板前進(jìn)行了完全驗(yàn)證，所以一次性通過(guò)的機(jī)會(huì)很高，從而進(jìn)一步加快了產(chǎn)品上市步伐。

本文小結(jié)

當(dāng)今PCB上使用的電源數(shù)在持續(xù)增加，電源管理算法甚至也變得更加復(fù)雜。然而傳統(tǒng)過(guò)時(shí)的電源管理方案仍常常被用于這些對(duì)電源管理要求益發(fā)苛刻的應(yīng)用，從而使PCB設(shè)計(jì)變得低效且昂貴、還常常因不得已的取舍而使結(jié)果留有缺憾。

本文針對(duì)這一復(fù)雜的電源管理問(wèn)題提出了一種設(shè)計(jì)方案：采用可編程、混合信號(hào)電源管理器件。設(shè)計(jì)師可對(duì)“電源管理PLD”實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化并在整個(gè)系統(tǒng)PCB上都采用該器件，從而降低了成本、增加了可靠性并加快了產(chǎn)品上市速度。