計算機外設(shè)的電源管理

標準化的要求

通過附加外設(shè)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(yīng)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(yīng)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(qū)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(shè)備上。
存儲、通信和游戲應(yīng)用等方面制造商加入了PCMCIA，理解這個接口標準或?qū)@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(yīng)用的多樣化，設(shè)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(yīng)用所需的磁盤驅(qū)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(dǎo)致很大的浪涌電流，使得主機電源過載，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或超過主機供電MOSFET電源開關(guān)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(shè)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(yīng)用，需要定序和監(jiān)測。此外，仍需使用外設(shè)來預(yù)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(shè)。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(guān)，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(fù)位發(fā)生器和看門狗定時器。然而，隨著不同應(yīng)用需要不同的組合和不同版本的ASSP，全面的電源管理設(shè)計可能會昂貴而且復(fù)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(wù)。因而，設(shè)計師們常常會簡化他們的電源管理設(shè)計，無視某些可能出現(xiàn)的故障情況或者假設(shè)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(shè)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。可以肯定的是，這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(fù)雜性。但是，盡管這種順序上電的方法降低了成本和復(fù)雜性，電源故障的響應(yīng)時間可能顯著延遲，這將導(dǎo)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(yīng)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(yīng)用可能需要復(fù)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(guān)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(guān)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(dǎo)致災(zāi)難性的后果。因而，應(yīng)當小心設(shè)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。