利用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)靈活的電源管理

電源管理一般是指涉及電路板供電方面的相關(guān)問(wèn)題。該相關(guān)問(wèn)題包含：
?選擇各種DC-DC轉(zhuǎn)換器為電路板供電
?電源供應(yīng)排序/追蹤
?電壓監(jiān)測(cè)
?上述全部

在本文中，電源管理被簡(jiǎn)單定義為：對(duì)電路板上的所有電源進(jìn)行管理(包括DC-DC轉(zhuǎn)換器及LDO等)。電源管理功能包含：
?管理電路板上DC-DC控制器——例如熱插拔、緩啟動(dòng)、排序、追蹤、裕度和微調(diào)。
?產(chǎn)生所有電源供應(yīng)相關(guān)狀態(tài)和控制邏輯訊號(hào)——例如重置訊號(hào)產(chǎn)生、電源錯(cuò)誤指示(監(jiān)測(cè))和電壓管理。圖1展示了一個(gè)采用CPU或微處理器電路板的典型電源管理功能。

圖1：電路板上的典型電源管理功能。

熱插拔/緩啟動(dòng)控制功能可用來(lái)限制突波電流以減少供應(yīng)電源的啟動(dòng)負(fù)載。對(duì)插入帶電背板的電路板來(lái)說(shuō)，這是個(gè)很重要的功能。

電源供應(yīng)排序和追蹤功能可在達(dá)到電路板上所有組件對(duì)順序的需求下，控制多個(gè)電源的開/關(guān)。
所有供應(yīng)電壓都被錯(cuò)誤(過(guò)壓/欠壓)監(jiān)測(cè)，以向處理器就即將發(fā)生的電源供應(yīng)錯(cuò)誤進(jìn)行預(yù)警。該功能也被歸類為監(jiān)督功能。

當(dāng)電源啟動(dòng)時(shí)，重置產(chǎn)生功能提供處理器一個(gè)可靠的啟動(dòng)電壓。有些處理器會(huì)要求重置訊號(hào)在其內(nèi)部所有電源供應(yīng)都穩(wěn)定后，仍能運(yùn)作一段時(shí)間，這也被稱作重置脈沖展延。重置產(chǎn)生器的功能是當(dāng)電源供應(yīng)發(fā)生錯(cuò)誤情況時(shí)，使處理器保持在重置模式，以防止電路板上閃存無(wú)意中被破壞的情況。

傳統(tǒng)電源管理方案的限制

傳統(tǒng)電路板上的任何電源管理功能都是由個(gè)別單功能IC來(lái)執(zhí)行的。不同的供應(yīng)電壓組合有不同的IC型號(hào)可使用。因此，市面上就有來(lái)自不同廠商數(shù)以萬(wàn)計(jì)針對(duì)多重電源供應(yīng)管理需求的單功能IC。
例如，若要選擇一款重置產(chǎn)生器IC型號(hào)，必須提供以下信息:
?該重置產(chǎn)生器IC需監(jiān)測(cè)的供應(yīng)電壓
?供應(yīng)電壓組合(3.3、2.5、1.2或 3.3、2.5、1.8等)
?錯(cuò)誤偵測(cè)電壓(3.3V-5%、3.3V-10%等)
?準(zhǔn)確性(3%、2%、1.5%等)
?重置附加電容的重置脈沖擴(kuò)展功能
?手動(dòng)重置輸入

為應(yīng)付所有可能產(chǎn)生的變化，一家廠商可能就有幾百個(gè)重置產(chǎn)生器IC型號(hào)。若工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中(很可能)需要增加另一個(gè)電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，必須選擇一個(gè)額外且不同型號(hào)的IC。類似地，許多單功能IC的型號(hào)也會(huì)隨著些微功能的不同而有所差異，這些功能包括熱插拔控制器、電源供應(yīng)排序器和電壓監(jiān)測(cè)/檢測(cè)器等。多重電路板系統(tǒng)中的任何電路板均需要不同組的單功能IC，材料成本也因而增加。

日益增加的電路板復(fù)雜性

若單功能電源管理IC曾經(jīng)是可管理的，那也已經(jīng)是過(guò)去式了。大多數(shù)典型的電路板目前都使用若干多重電壓組件，每個(gè)組件都有電源排序需求。具有更小型晶體管的組件需要帶有增強(qiáng)電流的較低電源供應(yīng)電壓。設(shè)計(jì)者常常被要求利用每個(gè)多重電壓IC的負(fù)載點(diǎn)電源，因此，電路板上的電源供應(yīng)數(shù)就增加了。隨著電源供應(yīng)路徑的增加以及對(duì)多重排序管理的需求，電源管理也變得更加復(fù)雜。
隨著電路板變得更復(fù)雜，傳統(tǒng)的電源管理方案便顯得難以招架。目前，利用傳統(tǒng)單功能IC執(zhí)行電源管理的設(shè)計(jì)師要不是得犧牲監(jiān)測(cè)某些電源供應(yīng)，不然就得為個(gè)別電源管理功能選擇多個(gè)單功能組件。這兩種方法都不讓人滿意。

電路板空間增加卻降低了可靠性

單功能IC數(shù)的增加以及相關(guān)的互連不僅使電路板面積加大，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來(lái)看，還降低了電路板的可靠性。舉例來(lái)說(shuō)，不斷增加的組裝錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)知(必然是不好)的結(jié)果。

第二貨源及設(shè)計(jì)妥協(xié)方案

若單功能組件是從不同供貨商選購(gòu)而來(lái)，即使發(fā)生缺少某一組件，都將增加生產(chǎn)延誤風(fēng)險(xiǎn)，于是第二貨源就此產(chǎn)生。然而，第二貨源降低了設(shè)計(jì)工程師的零件可用性，迫使設(shè)計(jì)師不得不就電路板的錯(cuò)誤覆蓋范圍做出折衷。

系統(tǒng)成本增加

組裝和測(cè)試費(fèi)用與系統(tǒng)中所用的組件數(shù)成正比，而組件單位成本與購(gòu)買數(shù)量成反比。由于許多組件是為特定系統(tǒng)需求而提供，但用來(lái)建構(gòu)系統(tǒng)的每一種類型組件數(shù)量卻都很少，因此，整體系統(tǒng)成本就隨之增加了。

舉例來(lái)說(shuō)，假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)有10塊電路板，以每年制造1,000個(gè)系統(tǒng)的速度進(jìn)行，若每塊電路板的電源管理都采用一種單功能IC，那么很可能需要10種不同的單功能IC來(lái)完成這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這些單功能IC的年產(chǎn)量也許只有1,000顆，而1,000顆IC的單價(jià)當(dāng)然高于10,000顆，所以，與采用同一種多功能單芯片電源管理方案相較——即所有電路板都能使用相同的IC，單功能IC電源管理系統(tǒng)所需成本必然更高。

用多個(gè)單功能IC組件來(lái)執(zhí)行傳統(tǒng)電源管理方案令人聯(lián)想到1980年代時(shí)，數(shù)字設(shè)計(jì)師利用TTL閘極來(lái)執(zhí)行邏輯功能。隨著電路板復(fù)雜性的增加，設(shè)計(jì)師被迫不是得用固定功能的ASIC，就是得增加電路板使用的TTL組件數(shù)目。但不意外的是，系統(tǒng)設(shè)計(jì)所使用的TTL組件數(shù)目因此急速增加。

可編成邏輯組件(PLD)的出現(xiàn)使設(shè)計(jì)師可在電路板特定的單位面積內(nèi)執(zhí)行更多功能，也同時(shí)縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。系統(tǒng)中的零件數(shù)目減少了，也降低了整體系統(tǒng)成本。相同的PLD組件可用在多種設(shè)計(jì)里，也減少了系統(tǒng)使用組件的數(shù)目。公司能在不犧牲任何電路板所需功能的前提下，對(duì)少量PLD組件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

管理少量的PLD比管理大量的TTL閘極要容易的多。相同的PLD可被用于多個(gè)電路板設(shè)計(jì)，因而減少甚至不再需要第二貨源。設(shè)計(jì)師可在將組件放置到電路板上以前，用軟件仿真設(shè)計(jì)，因而增加了第一次就設(shè)計(jì)成功的可能性。

如今，利用單功能電源管理IC就如同過(guò)去采用TTL閘極一樣麻煩，當(dāng)今復(fù)雜的電路板設(shè)計(jì)需要’電源管理PLD’。的確，這個(gè)電源管理PLD根本就是電路板設(shè)計(jì)的必要組件。

可編程電源管理方案

圖2展示了一個(gè)采用單一可編程電源管理組件的典型電路板電源管理實(shí)例。可編程電源管理組件需要可編程模擬和數(shù)字單元以促進(jìn)多個(gè)傳統(tǒng)單功能電源管理組件的整合。設(shè)計(jì)師可配置可編程模擬單元以監(jiān)測(cè)一個(gè)電壓組合，而不必依靠使用一個(gè)專門配置、廠商編程的單功能組件。

圖2：用可編程電源管理組件取代多個(gè)單功能IC。

電源管理組件的可編程數(shù)字單元需要用來(lái)定義特定電路板邏輯；該邏輯結(jié)合了從可編程電源監(jiān)測(cè)功能得來(lái)的結(jié)果；以執(zhí)行諸如重置產(chǎn)生、電源供應(yīng)錯(cuò)誤中斷產(chǎn)生、以及各電源排序等功能。一個(gè)可編程的軟件設(shè)計(jì)方法使電源管理組件能提供廣泛的電源管理功能。

利用可編程電源管理組件

以Lattice Semiconductor的Power Manager II組件為例，該組件是一款可編程電源管理組件。Power Manager II整合了若干數(shù)字和模擬單元以支持多個(gè)單功能電源管理組件的整合。圖3是Power Manager II組件的圖標(biāo)。

圖3：Power Manager II系列組件示意圖。

圖3所示為Power1014A組件，它是Power Manager II系列中的一款產(chǎn)品。Power1014A可監(jiān)測(cè)10個(gè)電源供應(yīng)路徑、具有14個(gè)電源輸出，可執(zhí)行所有電源管理功能。

Power1014A利用20個(gè)內(nèi)建可編程臨界值精密比較器監(jiān)測(cè)多達(dá)10組電源供應(yīng)的過(guò)壓/欠壓狀態(tài)，一般監(jiān)測(cè)精密度是0.3%。數(shù)字監(jiān)測(cè)輸入適用于連接諸如手動(dòng)重置、電源供應(yīng)和切斷等數(shù)字訊號(hào)。

Power1014A有4個(gè)定時(shí)器，在122個(gè)步進(jìn)中，可編程范圍都是從32us到2s。這些定時(shí)器可用來(lái)控制排序延遲、重置脈沖展延以及用作看門狗定時(shí)器。

12個(gè)開汲極輸出可由芯片上的24個(gè)宏單元CPLD驅(qū)動(dòng)，使DC-DC轉(zhuǎn)換器能排序、產(chǎn)生一個(gè)CPU重置訊號(hào)，也能驅(qū)動(dòng)一個(gè)P信道MOSFET來(lái)執(zhí)行熱插拔功能。

Power1014A還有兩個(gè)高壓(達(dá)12V)MOSFET驅(qū)動(dòng)器透過(guò)N信道MOSFET達(dá)成電源供應(yīng)、或執(zhí)行緩啟動(dòng)功能以及執(zhí)行負(fù)極電源供應(yīng)路徑上的熱插拔功能。

透過(guò)I2C總線，任何微處理器借助內(nèi)建的10位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器都可測(cè)量任何電源供應(yīng)電壓。該I2C總線還能用于監(jiān)測(cè)電源供應(yīng)比較器、輸入和輸出狀態(tài)。

可編程特性使電源管理標(biāo)準(zhǔn)化

透過(guò)簡(jiǎn)單地再配置可編程組件，設(shè)計(jì)師可借助一個(gè)可編程電源管理組件執(zhí)行全部特定電路板電源管理功能。相同的可編程組件可被用于多個(gè)電路板而不是采用多個(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組件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

對(duì)電源管理功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化

在多個(gè)電路板上利用同一個(gè)整合了電源管理功能的單一可編程電源管理組件的好處如下：

電路板面積縮小、可靠性增加：將多個(gè)單功能IC整合進(jìn)一個(gè)組件的主要好處是減少了電路板面積。減少的零件數(shù)及相關(guān)布線縮小了電路板面積并降低了成本。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度看，減少了的零件數(shù)還增加了電路板的可靠性。

滿足復(fù)雜電源管理需求的能力：目前電路板上所用的電源供應(yīng)數(shù)不斷在增加，此外，監(jiān)測(cè)和控制功能的復(fù)雜性也在增加。因可編程電源管理組件整合了更多的電源監(jiān)測(cè)輸入(與單功能IC相比)以及可編程數(shù)字邏輯單元，所以這些組件較適合執(zhí)行復(fù)雜的電源管理功能。另外，可編程的方式具有靈活性，能夠快速適應(yīng)以滿足不斷改變的規(guī)格要求。

不再需要第二貨源：一般來(lái)說(shuō)，第二貨源是為了避免因無(wú)法取得組件造成生產(chǎn)延誤而采取的防范措施。這個(gè)需求因?yàn)橐粋€(gè)典型系統(tǒng)實(shí)際上需來(lái)自不同供貨商的多個(gè)小型單功能組件而被放大。藉由在所有電路板和項(xiàng)目中對(duì)單一可編程電源管理組件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，能將耗時(shí)和第二貨源耗盡等問(wèn)題徹底排除或降低。

降低整體系統(tǒng)成本：可編程電源管理組件價(jià)格比個(gè)別單功能IC的總價(jià)來(lái)的便宜。除此之外，因采購(gòu)數(shù)量增加能加大折扣，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的多重電路板實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化電源管理能進(jìn)一步降低成本。

可用軟件執(zhí)行電源管理功能：運(yùn)用軟件在可編程電源管理組件中進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般而言，利用在線仿真器，軟件設(shè)計(jì)工具還執(zhí)行電源管理算法的驗(yàn)證。由于電源管理設(shè)計(jì)在投板前就進(jìn)行了完全驗(yàn)證，所以第一次就能設(shè)計(jì)成功的機(jī)會(huì)很高，進(jìn)一步加速了產(chǎn)品上市時(shí)間。

本文小結(jié)

目前電路板上使用的電源數(shù)正持續(xù)增加，甚至連電源管理算法也變得更加復(fù)雜。然而傳統(tǒng)過(guò)時(shí)的電源管理方案仍常常被拿來(lái)用于高性能的電源管理需求，因而使電路板設(shè)計(jì)變得低效、昂貴、還常常需要性能折衷。

本文針對(duì)一些復(fù)雜的電源管理問(wèn)題提出了一個(gè)設(shè)計(jì)方案：采用可編程、混合訊號(hào)電源管理組件。設(shè)計(jì)師可對(duì)’電源管理PLD’進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化并在整個(gè)系統(tǒng)電路板上采用該組件，因而降低了成本、增加了可靠性并加快了產(chǎn)品上市時(shí)間。