電源管理案例分析--基于CompactPCI電路板

　下面的設(shè)計實(shí)例將使用萊迪思半導(dǎo)體公司的ispPAC Power Manager II系列，ispPAC-POWER1220AT8。基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基于宏單元的CPLD架構(gòu)，這個器件針對電源管理應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，集成了專門的I/O，如可編程電壓監(jiān)視輸入和high-side　MOSFET驅(qū)動器輸出功能。圖3展示了ispPAC-POWER1220AT8 (U1)的示意圖，它和相關(guān)器件配置為用作cPCI的熱插拔控制器，以及次級電源監(jiān)控和時序控制器?！?/p>

　由于Power Manager II是可編程的，在分配功能至特定的I/O引腳方面有很大的靈活性。由于這個原因，出于明確起見，U1的腳被賦予相應(yīng)的描述性的標(biāo)簽，在此特定應(yīng)用中對應(yīng)它們的編程功能。在其他應(yīng)用中，該器件的引腳可通過使用萊迪思的PAC-Designer設(shè)計軟件賦予不同的功能和相應(yīng)的名稱。

　　圖3萊迪思半導(dǎo)體公司的ispPAC-POWER1220AT8支持cPCI電源管理系統(tǒng)所需的主要功能。對于電源開關(guān)，電流監(jiān)測和高電壓接口（+/- 12V）功能需要外部的有源器件。

　　對于這個設(shè)計，需要一些外部的有源器件，以支持電源開關(guān)，高電壓（+/- 12V）接口，或電流測量功能。 MOSFET　M1－ M4處理實(shí)際的負(fù)載開關(guān)。對于M1和M2，Power Manager II的電荷泵MOSFET驅(qū)動器輸出可以產(chǎn)生足夠的電壓對它們直接控制，通過MOSFET的柵極電壓的斜率控制，也可以提供軟啟動功能。M3 和M4用來切換+/-12V 電壓, 需要用外部的元器件來實(shí)施電平的轉(zhuǎn)換。 　

　　U1的電壓監(jiān)控輸入可直接檢測0至5.75V的電壓范圍，可用于直接監(jiān)測多個電源電壓。但是在+12V電源供電的情況下，需要有一個外部電阻分壓器，將12V電壓降至一個合適的范圍。使用電阻分壓器轉(zhuǎn)換到3.3V正電壓，也可以檢測-12V電源電壓。外部電流傳感電阻（RSENSE1，RSENSE2）和電流檢測放大器（U2，U3）能夠監(jiān)測3.3V和5V電源線上的電流。
除了Power Manager II的通用數(shù)字和模擬I/O，器件還提供一個I2C數(shù)字接口，用獨(dú)立的監(jiān)控處理器可以進(jìn)行控制和監(jiān)測。在cPCI板上實(shí)施高級監(jiān)測和診斷功能時，這個功能是很有用的。

　　cPCI 板的管理

　　除了硬件之外，cPCI電源控制器也需要一些協(xié)調(diào)操作的邏輯處理。適當(dāng)處理的定義往往是比支持硬件的定義實(shí)施更為復(fù)雜的任務(wù)，特別表現(xiàn)在要求硬件和軟件密切配合實(shí)現(xiàn)功能。例如，圖3電路可以在3.3V和5V線上對浪涌電流進(jìn)行限制，而不需要硬件電流調(diào)節(jié)器。當(dāng)電路板插入背板時，控制器（U1）處于等待狀態(tài)，直到電源電壓趨于穩(wěn)定，以及/BD_SEL信號變?yōu)榧せ顮顟B(tài)。使用U1的軟啟動MOSFET驅(qū)動器，然后打開MOSFET M1和M2。不斷監(jiān)測流經(jīng)M1和M2的電流，如果電流增加超過可編程的閾值，關(guān)閉M1和M2。然后電流開始迅速下降，當(dāng)它低于閾值時，MOSFET再重新打開。這一過程不斷持續(xù)，直到3.3V和5V電壓達(dá)到正常的工作電壓和電流值。在硬件和邏輯功能之間分割浪涌電流限制功能的話，就可以使硬件更簡單，更便宜?！?/p>

　　規(guī)范板級電源管理

　　使用可編程器件作為電源系統(tǒng)控制器的一個優(yōu)點(diǎn)是可以直接對控制邏輯和I/O的分配做出修改，在產(chǎn)品開發(fā)過程中提供很大的益處。而且，這種靈活性還為企業(yè)提供了好處。使用ispPAC-POWER1220AT8這樣的可編程電源管理芯片使設(shè)計人員和設(shè)計部門建立一個或多個公用平臺，只需稍加修改就可以迅速地適用于各種項目。

　　總結(jié)

　　本文用具有輔助POL穩(wěn)壓器的CompactPCI熱插拔控制器為例，介紹了面向系統(tǒng)的方法來設(shè)計電源管理系統(tǒng)。用硬件和邏輯基元設(shè)計定義設(shè)計要求簡化了硬件設(shè)計，使很多復(fù)雜的設(shè)計轉(zhuǎn)成用可編程邏輯實(shí)現(xiàn)。這種方法使得設(shè)計既降低了成本，還可以隨時在特定的cPCI板上進(jìn)行修改?！?br />
　　可選邊欄：電源管理：微控制器對比ispPAC Power Manager

　　微控制器和基于CPLD的器件，如Lattice的Power Manager II器件顯然是滿足復(fù)雜電源管理需求的候選器件，盡管每個都代表了完全不同的基本設(shè)計理念。這兩種類型的器件具有各自的優(yōu)勢，在特定的應(yīng)用中，根據(jù)需求進(jìn)行更適合的選擇。

　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：微控制器通常會依賴有前端多路復(fù)用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以監(jiān)控若干個電壓輸入，而Power Manager II對每個輸入都設(shè)置了單獨(dú)的閾值或窗口比較器。微控制器有著檢測電源故障（毫秒）非常緩慢的缺點(diǎn)，而Power Manager II具有真正的同步監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，大大加快了對電源故障的檢測（微秒）?！?/p>

控制器的工作，通過任務(wù)切換必須'模擬'并行處理?；谕綘顟B(tài)機(jī)/組合邏輯模式， Power Manager II器件可以實(shí)現(xiàn)真正的并行處理。它能夠?qū)ν獠康氖录龀隹焖俚姆磻?yīng)，也可能導(dǎo)致在設(shè)計中概念上比多任務(wù)處理更加簡單。

　　錯誤恢復(fù)：在基于微控制器的實(shí)時系統(tǒng)中，看門狗定時器是一個關(guān)鍵的器件，如果代碼執(zhí)行過程中出錯，它能夠有效地重啟控制器。但這取決于不同的看門狗定時器的周期，在錯誤得到糾正之前，代碼可能已執(zhí)行了數(shù)百毫秒。相反，當(dāng)使用Power Manager II的基于同步狀態(tài)機(jī)的模式，合適的定義未使用的狀態(tài)，將在一個時鐘周期內(nèi)糾正錯誤狀態(tài)。此外，正在執(zhí)行的組合邏輯功能完全不可能跑飛。

　　在實(shí)際設(shè)計中，Power Manager II和微控制器可以成為互補(bǔ)的功能。Power Manager II最適合處理時間受限的功能，如電壓和電流監(jiān)測，熱插拔和復(fù)位控制。在同一系統(tǒng)中，微控制器最好用來管理需復(fù)雜的算法和板外通信的任務(wù)，諸如背板故障診斷和監(jiān)測。