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)問題。該相關(guān)問題包含：
?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
?上述全部

在本文中，電源管理被簡單定義為：對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、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——例如重置訊號產(chǎn)生、電源錯誤指示(監(jiān)測)和電壓管理。圖1展示了一個采用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/緩啟動控制功能可用來限制突波電流以減少供應(yīng)電源的啟動負(fù)載。對插入帶電背板的電路板來說，這是個很重要的功能。

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順序的需求下，控制多個電源的開/關(guān)。
所有供應(yīng)電壓都被錯誤(過壓/欠壓)監(jiān)測，以向處理器就即將發(fā)生的電源供應(yīng)錯誤進(jìn)行預(yù)警。該功能也被歸類為監(jiān)督功能。

當(dāng)電源啟動時，重置產(chǎn)生功能提供處理器一個可靠的啟動電壓。有些處理器會要求重置訊號在其內(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)生錯誤情況時，使處理器保持在重置模式，以防止電路板上閃存無意中被破壞的情況。

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別單功能IC來執(zhí)行的。不同的供應(yīng)電壓組合有不同的IC型號可使用。因此，市面上就有來自不同廠商數(shù)以萬計(jì)針對多重電源供應(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，必須提供以下信息:
?該重置產(chǎn)生器IC需監(jiān)測的供應(yīng)電壓
?供應(yīng)電壓組合(3.3、2.5、1.2或 3.3、2.5、1.8等)
?錯誤偵測電壓(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重置產(chǎn)生器IC型號。若工程師在設(shè)計(jì)過程中(很可能)需要增加另一個電壓進(jìn)行監(jiān)測，必須選擇一個額外且不同型號的IC。類似地，許多單功能IC的型號也會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/檢測器等。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)測某些電源供應(yīng)，不然就得為個別電源管理功能選擇多個單功能組件。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)的角度來看，還降低了電路板的可靠性。舉例來說，不斷增加的組裝錯誤可能會導(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而來，即使發(fā)生缺少某一組件，都將增加生產(chǎn)延誤風(fēng)險，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誤覆蓋范圍做出折衷。

系統(tǒng)成本增加

組裝和測試費(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。

舉例來說，假設(shè)一個系統(tǒng)有10塊電路板，以每年制造1,000個系統(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來完成這個系統(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。

用多個單功能IC組件來執(zhí)行傳統(tǒng)電源管理方案令人聯(lián)想到1980年代時，數(shù)字設(shè)計(jì)師利用TTL閘極來執(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，也同時縮短了產(chǎn)品上市時間。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?？删幊屉娫垂芾斫M件需要可編程模擬和數(shù)字單元以促進(jìn)多個傳統(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)測一個電壓組合，而不必依靠使用一個專門配置、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單功能IC。

電源管理組件的可編程數(shù)字單元需要用來定義特定電路板邏輯；該邏輯結(jié)合了從可編程電源監(jiān)測功能得來的結(jié)果；以執(zhí)行諸如重置產(chǎn)生、電源供應(yīng)錯誤中斷產(chǎn)生、以及各電源排序等功能。一個可編程的軟件設(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10個電源供應(yīng)路徑、具有14個電源輸出，可執(zhí)行所有電源管理功能。

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

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

12個開汲極輸出可由芯片上的24個宏單元CPLD驅(qū)動，使DC-DC轉(zhuǎn)換器能排序、產(chǎn)生一個CPU重置訊號，也能驅(qū)動一個P信道MOSFET來執(zhí)行熱插拔功能。

Power1014A還有兩個高壓(達(dá)12V)MOSFET驅(qū)動器透過N信道MOSFET達(dá)成電源供應(yīng)、或執(zhí)行緩啟動功能以及執(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)換器都可測量任何電源供應(yīng)電壓。該I2C總線還能用于監(jiān)測電源供應(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

透過簡單地再配置可編程組件，設(shè)計(jì)師可借助一個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電路板而不是采用多個單功能IC。因此，設(shè)計(jì)師可在整個設(shè)計(jì)內(nèi)對單一可編程電源管理組件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

對電源管理功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化

在多個電路板上利用同一個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：將多個單功能IC整合進(jìn)一個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：一般來說，第二貨源是為了避免因無法取得組件造成生產(chǎn)延誤而采取的防范措施。這個需求因?yàn)橐粋€典型系統(tǒng)實(shí)際上需來自不同供貨商的多個小型單功能組件而被放大。藉由在所有電路板和項(xiàng)目中對單一可編程電源管理組件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，能將耗時和第二貨源耗盡等問題徹底排除或降低。

降低整體系統(tǒng)成本：可編程電源管理組件價格比個別單功能IC的總價來的便宜。除此之外，因采購數(shù)量增加能加大折扣，對系統(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)會很高，進(jìn)一步加速了產(chǎn)品上市時間。

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)過時的電源管理方案仍常常被拿來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。

本文針對一些復(fù)雜的電源管理問題提出了一個設(shè)計(jì)方案：采用可編程、混合訊號電源管理組件。設(shè)計(jì)師可對’電源管理PLD’進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化并在整個系統(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)品上市時間。