降低可編程電源系統(tǒng)設(shè)計風險的方式

由于當前復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)計風險，導致設(shè)計項目延遲甚至被取消。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行，或者可以添加一個負電壓電源。指定三種電源。易用性。

　　如今的復雜邏輯器件（FPGA、ASIC、SoC、ASSP等）有著更為復雜的電源要求。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。復位線或者多個復位線與電源電壓之間的定時關(guān)系也同樣相當重要。

　　此外，電源系統(tǒng)必須與當前的許多復雜系統(tǒng)實時交互，并且必須能夠根據(jù)快速波動線和加載要求來實現(xiàn)實時重新配置。簡而言之，與從前相比，當今復雜數(shù)字系統(tǒng)的電源系統(tǒng)設(shè)計有著更為深遠的考量，它促進了電源管理系統(tǒng)的發(fā)展，與圖1所示一樣，這是為了滿足當今越來越復雜的系統(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)計風險

　　系統(tǒng)設(shè)計師需要定制電源以便處理當今 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，也沒有時間去學習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； 同時還缺乏進行復雜計算的愿望，以及缺乏學習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)日益復雜的電源系統(tǒng)方面所花費的時間越來越少。正由于所花的時間不夠，大大提高了設(shè)計電源時的風險，導致電源不滿足要求，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致的設(shè)計要求變更風險、降低由芯片電源規(guī)范更改而產(chǎn)生的設(shè)計風險，或者減少在整個電源電壓調(diào)整期間對芯片性能進行微調(diào)的需求，所有上述風險系數(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)計風險。同樣重要的是：這些可編程電源系統(tǒng)極大地增強了設(shè)計靈活性，從而降低了系統(tǒng)設(shè)計風險，卻不會提高電源成本。

　　電源發(fā)展趨勢

　　隨著當前系統(tǒng)復雜性越來越高，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)對當前的復雜系統(tǒng)。除了需要更多樣的電源電壓、電源、復位順序以及偏移不靈敏性之外，當前的系統(tǒng)設(shè)計還需要對電源電壓進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，這些芯片是當前系統(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說明。所有 FPGA廠商均規(guī)定了確保 FPGA正常運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。由于對電源沒有標準規(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)計小組負責。其他人通常指系統(tǒng)設(shè)計師。系統(tǒng)設(shè)計師負責滿足芯片的一切電壓和排序要求。當一個系統(tǒng)設(shè)計中有多個復雜芯片時，電源的復雜性便會翻倍。如需進一步提高復雜性，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確的器件特性或者會導致設(shè)計變更。此時仍然由系統(tǒng)設(shè)計師負責滿足這些需求，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)復雜性以及系統(tǒng)中所用芯片的復雜性時，需要將電源系統(tǒng)的能力改進數(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。插件板上或負載點（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線微調(diào)以實現(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“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)計復雜性并且耗費額外的面板空間。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可編程電源電壓，并且在各個電源電壓之間提供可獨立調(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也能夠為系統(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。現(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)，因此靈活性的增強是免費的。因此，系統(tǒng)設(shè)計師能夠顯著增強電源系統(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前復雜系統(tǒng)的需求。與過去相比，由于復雜 IC的電源電壓達到了前所未有的穩(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)元件的運行速度。當工作電壓處于 1V時，對電源電壓進行“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控制器還能夠為系統(tǒng)設(shè)計師帶來另一個實質(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種降低風險的方式

　　當系統(tǒng)設(shè)計師在其設(shè)計中采用了各種不同的復雜邏輯器件時，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種可以降低風險的具體方式：

　　（1）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載點的電源電壓調(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成本實現(xiàn)了更高的能力和更大的靈活性。