計算機外設的電源管理

標準化的要求

通過附加外設來擴展計算機的功能時，需要使用標準接口才能實現(xiàn)不同廠商應用的全部功能。使用無線通信增加臺式機的功能，或者通過使用更多的內(nèi)存條來增加筆記本電腦的內(nèi)存，這些方法使得低價的入門級計算機可以升級或根據(jù)個人需要進行添減。20世紀90年代初，個人電腦附加卡標準的出現(xiàn)使得不同供應商的內(nèi)存條都可以用到筆記本電腦上。PCMCIA（個人計算機存儲卡國際協(xié)會）的成立規(guī)范了接口標準，允許使用閃存或硬盤驅動器等插入式附加卡來擴展筆記本電腦內(nèi)存。許多其他廠商自然很快就意識到，他們的專用功能也可以通過PCMCIA卡添加到這些設備上。
存儲、通信和游戲應用等方面制造商加入了PCMCIA，理解這個接口標準或對這個標準施加影響，使筆記本電腦可以使用他們的器件。隨著主機系統(tǒng)和卡應用的多樣化，設計師們很快就發(fā)現(xiàn)需要慎重考慮卡的工作和啟動電源要求，防止供電和系統(tǒng)故障。例如，許多應用所需的磁盤驅動器馬達啟動或電源保持電容是一個潛在的問題。它們可能會導致很大的浪涌電流，使得主機電源過載，導致系統(tǒng)崩潰或超過主機供電MOSFET電源開關的安全工作區(qū)（SOA）。PCMCIA標準委員會需要解決的問題包括電壓、電流（包括浪涌電流）和定序。雖然PCMCIA早已解散，其標準化的電源供電規(guī)范現(xiàn)在仍在其他各種附加卡中使用，包括取代PCMCIA卡的PC卡。
系統(tǒng)設計方法
類似PC卡，PCI Express（PCIe）解決了PC中附加卡的電源要求。并且適用同樣的電源供電考慮，類似PC卡，PCIe卡也可以生成次級電壓，根據(jù)不同的應用，需要定序和監(jiān)測。此外，仍需使用外設來預防浪涌電流，而其輸入電容循環(huán)充放電，相當于添加和移除外設。電源管理已經(jīng)從由分立邏輯電路和ASIC控制器實現(xiàn)的MOSFET開關，控制一個或兩個電壓，發(fā)展到ASSP，如熱插拔/軟啟動控制器、電源定序器和跟蹤器、電壓監(jiān)控器、復位發(fā)生器和看門狗定時器。然而，隨著不同應用需要不同的組合和不同版本的ASSP，全面的電源管理設計可能會昂貴而且復雜。由于有來自許多不同的廠商提供的數(shù)百種器件，選擇正確組合的器件可能是十分艱巨的任務。因而，設計師們常常會簡化他們的電源管理設計，無視某些可能出現(xiàn)的故障情況或者假設某種特定的序列會一直出現(xiàn)。舉一個例子，一個電源管理設計僅監(jiān)測輸入電源電壓，然后通過一個穩(wěn)壓器電壓正常來使能下一個穩(wěn)壓器，從而實現(xiàn)其他次級電壓的上電?？梢钥隙ǖ氖牵@種方法不需要獨立的定序器和多個高精度電壓監(jiān)測器來監(jiān)視每個電壓，從而降低了成本和復雜性。但是，盡管這種順序上電的方法降低了成本和復雜性，電源故障的響應時間可能顯著延遲，這將導致嚴重的數(shù)據(jù)損壞，產(chǎn)生不完整的數(shù)據(jù)包并且破壞已經(jīng)存儲的數(shù)據(jù)。

圖1——PCIe電源需求

PCIe為各種插槽定義了電壓、電流和卡輸入電容。圖1顯示了PCIe規(guī)范，定義了+12 V和3.3 V電源和容限、容性負載和最大電流，包括不同的卡的浪涌電流。PCIe還支持熱插拔卡，需要仔細考慮限制熱插拔卡的啟動電壓擺率。應使用電壓監(jiān)控器監(jiān)測輸入電源，以確定電壓擺率的限制。雖然PCIe不指定電源上電時序，一個使用次級電源的獨立應用可能需要復雜的時序。

圖2——PCIe啟動波形

圖2顯示了一個PCIe卡的啟動時序。箭頭所示的一個關鍵參數(shù)是在卡插入后的100ms周期內(nèi)，12V和3V電源穩(wěn)定。100ms后，該卡通過PCIe總線主機發(fā)出PERST#高電平信號使能。通常100ms時間太短，不足以完成卡上次級電源上電和大型FPGA、ASIC和其他配置器件的初始化。通常需要脈沖展寬或PERST#信號延遲來滿足每塊板的需求。

圖3——斷電波形

圖3顯示了一個PCIe卡的斷電時序。PERST#初始化關斷，使器件能夠以可控的方式在供電電源衰減之前斷電。如果卡在插槽通電時突然拔出，器件將突然斷電，這可能會導致災難性的后果。因而，應當小心設計電路板，使它們能夠處理突然的拔出并以可控的方式使電路板斷電。