利用SOC構(gòu)建塊實(shí)現(xiàn)電源監(jiān)控

電源監(jiān)控器的作用是控制系統(tǒng)的負(fù)載點(diǎn)（POL）以使電源軌滿足規(guī)范要求。POL可以是模擬也可以是數(shù)字的，這取決于輸出信號(hào)的類型。本文描述了如何使用SoC實(shí)現(xiàn)電源監(jiān)控的基本實(shí)現(xiàn)方法。為更好地說明關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)原理，我們以采用賽普拉斯片上可編程系統(tǒng)（PSoC）的應(yīng)用為例。PSoC可與模擬/數(shù)字POL協(xié)同工作。電源監(jiān)控器的主要特性包括如下：

1. 啟用穩(wěn)壓器/電源
2. 監(jiān)控電壓或電流的電源軌
3. 調(diào)節(jié)（修整）電源電流
4. 故障處理與記錄
5. 主機(jī)通信

整個(gè)系統(tǒng)的方框圖包含圖1所示的如下功能。

圖1.電源監(jiān)控器系統(tǒng)

讓我們看一下最簡單的電源監(jiān)控結(jié)構(gòu)并在此基礎(chǔ)上了解整個(gè)系統(tǒng)。在最簡單的電源監(jiān)控結(jié)構(gòu)中，微控制器負(fù)責(zé)監(jiān)控Power-Good（PGood）輸出并決定應(yīng)該啟用還是禁用DC-DC轉(zhuǎn)換器。微控制器可以監(jiān)控多個(gè)輸出并按順序適當(dāng)?shù)貑⒂茫ㄉ想姡┗蚪茫〝嚯姡┺D(zhuǎn)換器。該功能由PSoC中的電壓定序器（VS）組件執(zhí)行。該組件位于PSoC Creator IDE內(nèi)部，可對硬件和固件進(jìn)行分組以實(shí)現(xiàn)特定功能。PSoC組件在本文中被多次提到，可被視為大芯片中的“虛擬芯片”。

圖1給出了僅含電壓定序功能的基本電源監(jiān)控結(jié)構(gòu)，大部分微控制器都提供這層功能。電壓定序還包括根據(jù)多個(gè)先決條件和精確時(shí)序來實(shí)現(xiàn)電源軌等更多功能。要實(shí)現(xiàn)這些更高級(jí)別的功能，需要采用額外設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)序分析。為了便于理解，圖2中的實(shí)例只顯示了一條電源軌。需注意的是當(dāng)前系統(tǒng)中的每個(gè)電路板可能需要20多條電源軌。每個(gè)SoC芯片可支持多達(dá)32條電源軌，是專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）當(dāng)前專用電源監(jiān)控結(jié)構(gòu)的3倍以上。

圖2.電源軌的使能與排序大部分設(shè)計(jì)人員都不希望僅僅依靠簡單的、具有硬編碼閾值的DC-DC轉(zhuǎn)換器PGood信號(hào)。因此通常需要根據(jù)不同電源軌的電壓和/或電流情況控制DC-DC轉(zhuǎn)換器的使能引腳。這就要求使用ADC和相關(guān)邏輯來控制使能引腳。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，我們使用電源監(jiān)控器（PM）組件來監(jiān)控不同線路的電壓和電流，并為每條線路提供狀態(tài)輸出。這些狀態(tài)線路與控制使能信號(hào)的電壓定序器相連接。該設(shè)計(jì)的方框圖如圖3所示，其中包含了電源監(jiān)控器。具備精確ADC并能夠使用數(shù)字邏輯的SoC能夠?qū)崿F(xiàn)這種功能。ADC可用來捕獲電壓值，然后根據(jù)固件中預(yù)先設(shè)定的電壓電平來生成PGood信號(hào)。

既可利用支持電流測量的微控制器來實(shí)現(xiàn)電流監(jiān)控，又可采用分流電阻并測量電阻電壓的方法來推導(dǎo)出電流值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電流監(jiān)控。對于PSoC器件而言，電流測量實(shí)際上就是測量分流電阻上的電壓，PM電壓和電流測量的精確度為0.26%。由于電壓輸出已經(jīng)通過PM測得，因此電流測量只需添加一個(gè)引腳，這些引腳被稱為電流測量引腳。

圖3.電源監(jiān)控與電壓定序器

帶有ADC和固件的電源監(jiān)控器可提供眾多高級(jí)特性，諸如記錄在發(fā)生故障時(shí)EEPROM中的電壓和電流值等等。然而實(shí)現(xiàn)這些功能會(huì)引起CPU時(shí)延，需在任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用中引起重視。為了解決這個(gè)問題，可以利用比較器和DAC等硬件模塊實(shí)現(xiàn)完整的硬件電壓故障檢測（VFD）組件?？梢圆捎秒妷?strong>數(shù)模轉(zhuǎn)換器（VDAC）來設(shè)置硬件中的過壓（OV）和欠壓（UV）閾值。如果SoC有多個(gè)支持硬件故障檢測的DAC，那么可通過專用硬件完成每個(gè)電源軌的設(shè)置。在可編程微控制器（如PSoC）中，同一硬件經(jīng)過配置后也能實(shí)現(xiàn)這種功能，方法是通過直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）組件并用所需的連接和參數(shù)值設(shè)置DAC和比較器。

硬件故障檢測器和電源監(jiān)控器的Pgood信號(hào)可以通過整合得到電壓定序器的Pgood信號(hào)，如圖4所示。

圖4.添加硬件故障檢測

目前討論的所有模塊都可打開或在偏離所需電壓或電流時(shí)關(guān)閉電源線。有些情況下（例如調(diào)試或針對新要求進(jìn)行調(diào)整），DC-DC轉(zhuǎn)換器的電壓輸出需要調(diào)整到新的水平。這個(gè)功能被稱為電源軌的修整或微調(diào)（TM）。修整功能主要用于那些生產(chǎn)后需要進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)整的系統(tǒng)。產(chǎn)品生產(chǎn)完成后可能需要實(shí)時(shí)使用該功能。微調(diào)功能則用于在開發(fā)過程中或生產(chǎn)前對系統(tǒng)本身進(jìn)行測試。該功能可用來在不同電壓極限下對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試、特性描述或驗(yàn)證。

為實(shí)現(xiàn)這些功能，需根據(jù)要求將DC-DC轉(zhuǎn)換器的Vadj（電壓調(diào)整或電壓反饋）升高或降低。電源監(jiān)控器負(fù)責(zé)測量當(dāng)前電壓值，而修整或微調(diào)電路則負(fù)責(zé)對新的電壓值進(jìn)行調(diào)整。PWM-DAC可獲得修整電壓輸出，例如使用低通RC電路（外部）對PWM輸出進(jìn)行濾波。假如我們想讓Vout低于其當(dāng)前值，可以增加PWM占空比，從而增大Vadj值。這會(huì)導(dǎo)致DC-DC轉(zhuǎn)換器根據(jù)其Vadj引腳電壓情況降低其輸出電壓Vout。該功能既可以使用DAC來實(shí)現(xiàn)（如果有），也可以通過PMW并添加外部RC濾波器的方法來實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。通過PWM-DAC實(shí)現(xiàn)該功能所獲得的精確度是0.60%。

圖5.添加修整和微調(diào)可將系統(tǒng)檢測到的故障存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，以便于使用。本例中采用EEPROM存儲(chǔ)所有故障記錄，而采用閃存來保存用戶設(shè)置。

目前討論的所有數(shù)據(jù)和設(shè)置都能通過不同的通信形式供主機(jī)設(shè)備所用或進(jìn)行配置。在電源監(jiān)控領(lǐng)域最受歡迎的協(xié)議當(dāng)屬電源監(jiān)控總線（PMBus）協(xié)議。PMBus是一種建立在I2C通信接口上的系統(tǒng)管理通信協(xié)議。PMBus可用于獲得有關(guān)不同電力線的狀態(tài)、DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)置，以及由協(xié)議預(yù)先設(shè)定的眾多其它詳細(xì)指令等的信息。如需使用預(yù)定義PMBus協(xié)議以外的附加命令，還可以添加額外的自定義命令。PMBus可用于讀取全部狀態(tài)與組件參數(shù)，并重寫任意其它組件參數(shù)。這樣可便于客戶利用任何重編程技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)升級(jí)。在本實(shí)例中，PMBus協(xié)議構(gòu)建在現(xiàn)有的I2C模塊之上，如圖6所示。除了PMBus組件外，完整的電源監(jiān)控解決方案還可配套提供PMBus主機(jī)仿真器GUI，用以支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試工作。

圖6.為電源監(jiān)控系統(tǒng)添加PMBus通信

所有模塊都以組件形式提供，如圖7所示。

圖7.所有模塊都以組件形式提供

本文介紹了構(gòu)建電源監(jiān)控器系統(tǒng)所需的構(gòu)建塊。應(yīng)根據(jù)最終應(yīng)用的不同，選擇使用所有或者部分模塊。您可以利用所選SoC以及本文所提到的模塊來構(gòu)建自己的電源監(jiān)控器系統(tǒng)。使用基于SoC的系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的高級(jí)功能包括：溫度測量、風(fēng)扇控制、單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）處理以及引導(dǎo)加載程序等。

參考資料：

● AN76474 - PSoC 3 電源監(jiān)控器
● 關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)中的故障安全型電源監(jiān)控
● CY8CKIT-035 PSoC 電源監(jiān)控?cái)U(kuò)展開發(fā)套件

關(guān)于作者：

Archana Yarlagadda擁有田納西州大學(xué)（諾克斯維爾）的電氣工程碩士學(xué)位，現(xiàn)任賽普拉斯舊金山灣區(qū)的現(xiàn)場應(yīng)用工程師。她對模擬和混合信號(hào)設(shè)計(jì)非常感興趣，并利用PSoC開發(fā)了眾多模擬傳感器接口。