電源管理案例分析--基于CompactPCI電路板

電源管理的挑戰(zhàn)

　　由于電路板組件集成了越來越多的子系統(tǒng)，他們的電源分配和管理系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷上升。由于這些系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的固定功能的以硬件為中心的電源管理方案很快變得相當(dāng)笨拙。另一種方法是用自上而下的，需求驅(qū)動的辦法來解決設(shè)計(jì)問題。取代試圖圍繞一個(gè)或多個(gè)固定功能的集成電路來設(shè)計(jì)電路板的電源管理功能，設(shè)計(jì)人員用獨(dú)立的物理和邏輯功能來定義系統(tǒng)，根據(jù)這些功能來推動設(shè)計(jì)。用這樣的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)需要更新設(shè)計(jì)理念，系統(tǒng)的控制邏輯從硬件轉(zhuǎn)移到固件或軟件。而且，這些優(yōu)點(diǎn)是減少了所需元器件的數(shù)量、降低了系統(tǒng)的成本，在適應(yīng)無法預(yù)料的需求方面具有更大的靈活性。

　　本文介紹了這個(gè)面向系統(tǒng)的方法的實(shí)例，將其應(yīng)用到CompactPCI（cPCI）板級電源管理，其中包括熱插拔功能。

　　基本的CompactPCI電路板的電源管理

　　圖1展示了一個(gè)支持熱插拔的cPCI板的電源管理系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)圖。當(dāng)這塊電路板插到背板時(shí)，熱插拔控制器必須完善地執(zhí)行以下的操作：

　　1）測試cPCI總線電源處于穩(wěn)定狀態(tài)，且用/BRD_SEL信號使電路板就位。這些條件得到滿足時(shí)，控制器可以連接電路板的電源系統(tǒng)到總線電源。對于電路板吸取大電流的電源線路，電源管理可能還需要控制電壓上升率，以防止在系統(tǒng)中可能瞬態(tài)破壞其他電路板的運(yùn)作。

　　2）監(jiān)控cPCI總線的控制信號，尤其是/PCI_RST。電源管理器必須使本地復(fù)位信號/LOCAL_PCI_RST有效，在所有電路板級電壓穩(wěn)定之后，保持一定的時(shí)間，以確保電路板上的系統(tǒng)正確初始化。

　　3）監(jiān)控板上的電源電壓，電流和電路板上子系統(tǒng)的狀態(tài)信號，以確定一切是否正常工作。如果是這樣的情況，那么控制器可以使cPCI總線上的HEALTHY信號有效。在出現(xiàn)故障情況下，該控制器需要以盡量減少潛在損害的方式作出反應(yīng)。

　　圖1即使是一個(gè)簡單的cPCI電源管理系統(tǒng)也有各種需求，專門功能的控制芯片可能不滿足這些要求。例如，1.8V和1.2V的POL轉(zhuǎn)換器的時(shí)序要求將需要額外的控制電路。

　　相反，當(dāng)熱插拔控制器檢測到電路板正在從系統(tǒng)中拔出，在電源連接器斷開之前，必須確保電路板邊緣的電源已脫開。不這樣做話就會在背板的電源上產(chǎn)生電弧和瞬變，可能會干擾其他正在運(yùn)作的電路板。

　　在實(shí)際的熱插拔控制系統(tǒng)中，即便是一個(gè)簡單的系統(tǒng)，還有其他一些重要細(xì)節(jié)可能需要控制器進(jìn)行處理，例如如果未能妥善處理過流檢測的情況，可能影響系統(tǒng)中的其他電路板。如果對于cPCI系統(tǒng)使用專用功能的cPCI熱插拔控制器，通常提供（但不總是）上面所述的基本時(shí)序和診斷功能。如果電路板能夠在一個(gè)約束的專門功能的熱插拔控制器內(nèi)工作，這也許是最簡單的解決辦法?！?/p>

　　CompactPCI的電路板電源管理不僅僅是熱插拔控制

　　隨著板級集成度的不斷提升，對電源管理的作用和復(fù)雜性的要求也越來越高。多個(gè)器件可能需要遵循特殊的上電和斷電時(shí)序。甚至使用多個(gè)電壓支持核和I/O電路的單芯片可能需要專門的時(shí)序。通過使用DC-DC轉(zhuǎn)換器及負(fù)載點(diǎn)(POL)穩(wěn)壓器，往往是在本地電路板上提供多個(gè)電源，并可能需要單獨(dú)的監(jiān)測和控制功能?！?/p>

　　設(shè)計(jì)用于不間斷計(jì)算和通信應(yīng)用中的系統(tǒng)帶來了額外的電源管理問題。例如，電路板上一個(gè)子系統(tǒng)中的一個(gè)元件失效時(shí)，它可能只需要能夠關(guān)閉有故障的子系統(tǒng)，而允許電路板上的其它子系統(tǒng)繼續(xù)工作。

　　實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的一種方式是開始用一個(gè)或多個(gè)'標(biāo)準(zhǔn)'的電源管理集成電路，支持所需的單個(gè)功能，然后再設(shè)計(jì)一個(gè)協(xié)調(diào)它們運(yùn)作的系統(tǒng)。根據(jù)協(xié)調(diào)的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)可能是簡單的粘合邏輯，或復(fù)雜的微控制器和支持固件（圖2）。

　　圖2電源管理系統(tǒng)可以通過組合標(biāo)準(zhǔn)的電源管理集成電路與頂層控制功能來實(shí)現(xiàn)。雖然簡單設(shè)計(jì)是可行的，當(dāng)人們試圖提供獨(dú)立控制器的各種功能和接口需求時(shí)，這種方法很快變得無法控制。

　　雖然這種ad-hoc方式可能會形成一個(gè)有用的設(shè)計(jì)，但是可能由于未使用的功能和復(fù)制的功能，以及大的封裝而造成不必要的費(fèi)用。此外，即使最終能夠與微控制器相協(xié)調(diào)，這種解決方案的硬連線的性質(zhì)會使人難以逐步修改設(shè)計(jì)來解決問題，或支持產(chǎn)品的遷移。

　　面向系統(tǒng)的方法

　　取代從一個(gè)或多個(gè)預(yù)先定義的控制器集成電路實(shí)現(xiàn)電源管理系統(tǒng)的方法，更有效的方法是首先考慮需要那些基本功能，以支持電源管理系統(tǒng)。這些功能可以分為支持硬件測量和控制的資源，支持時(shí)序和組合處理創(chuàng)建的邏輯運(yùn)算。表1列出了需要實(shí)現(xiàn)電源管理的最常見的部分功能。

　　表1 通用電源管理功能