可靠、靈活的針對復雜電路板的電源管理解決方案

 　　電路板上電源的數量取決于VLSI所使用的多個(gè)電源的數量，它們與其它器件之間的通信速度需要電路板上有一套獨特的電源，如使用的存儲器類(lèi)型。這是因為每個(gè)VLSI(ASIC/ SoC)器件需要多個(gè)電源才能正常工作(如核電壓、I / O電壓、PLL電壓、SERDES通道電壓，以及存儲器接口電壓)。結果，電路板上有15至25個(gè)電壓的情況并不少見(jiàn)。多個(gè)電源的電路板通常需要實(shí)現電源管理功能，包括電源定序、電源故障監測、微調和裕度調整。有些電路板可能需要增強的電源管理功能，如電壓升降調整，電源故障的非易失性記錄和后臺時(shí)序更新。

　　電路板電源管理的要求

　　在圖1所示的線(xiàn)卡中，有四個(gè)主要的集成電路和一些粘合邏輯。每個(gè)集成電路都需要多個(gè)電源，并有定序的要求。這塊電路板有14個(gè)電源電壓，需要進(jìn)行監測、定序、微調和裕度調整。此外，電路板的設計還需要將任何意想不到的電源故障記錄在非易失性存儲器中。

　　最初設計電路板的電源管理算法時(shí)，設計人員通常只考慮器件相關(guān)的時(shí)序。這是因為電路板設計人員不知道不同電壓的電源定序的相互依存關(guān)系。在一般情況下，在調試過(guò)程中要確定電源定序，可編程定序解決方案應該能夠適應原來(lái)的定序算法的以下變化：

　　- 開(kāi)啟每個(gè)電壓或一組電壓之間的時(shí)間延遲

　　- 重新定序- 例如如果原來(lái)設計的序列為1，2，4，5，3，那么新的順序應該能夠定序為2，3，5，1，4

　　- 關(guān)閉電源的定序-以相反的順序關(guān)閉電源(這是必要的，以盡量減少損壞集成電路)

　　- 最大限度地減少集成電路(需要多個(gè)電壓)部分被供電的情況，這取決于給定器件的電源故障。例如，如果電源3有故障，那么要立即關(guān)閉電源4，然后關(guān)閉電源1和2。如果電源1有故障，那么按順序關(guān)閉電源2，3，4。

　　- 生成電源良好的指示，使各種器件開(kāi)始工作。例如，CPU需要電源良好的信號，不僅內核電壓是好的，而且DDR存儲器電壓，PLL和IO電壓都是好的。

　　- 能夠監測數字信號來(lái)完成定序。例如，在給DDR電源上電之前，等待數據包處理ASIC的PLL鎖定。

　　- 通過(guò)數字控制信號(或邏輯組合)根據需要啟動(dòng)電源關(guān)閉，例如，前面板關(guān)機信號。

　　圖1 - 通信線(xiàn)路卡的主要集成電路和電源的要求

　　所有的電源都打開(kāi)之后，電路板開(kāi)始正常工作，電源管理部分應開(kāi)始監測電源的故障。當任何一個(gè)電源出現故障，然后根據發(fā)生故障的電源，CPU應該中斷或復位以防止閃存損壞。電源管理算法的監測部分應該具有以下特點(diǎn)：

　　- 以1%或更好的精度確定任何按裝在電路板上的電源的故障，以盡量減少虛假的故障指示，最大限度地減少由于監控器的精度限制而錯過(guò)了電源故障。此故障指示可用于產(chǎn)生中斷復位到CPU。

　　- 由于電源管理電路和裝在電路板上的電源之間存在地電壓差，使用差分信號檢測較低的電源電壓(1.5V或以下)，以盡量減少錯誤。

　　- 在100毫秒內報告故障，最大限度地減少由于故障電源引起的數據和/或指令的持續時(shí)間。

　　- 將故障與監控信號相聯(lián)系。例如，如果電源1，2，3或4有故障，就激活復位信號。但是，如果電源12有故障，只中斷CPU，以防止傳輸錯誤的數據。

　　故障記錄功能應該記錄整個(gè)電路板斷電的主要原因。通常在一塊電路板上的初始故障會(huì )引發(fā)連鎖反應。例如，如果電源1有故障，電路板關(guān)機功能開(kāi)始根據編程的電源關(guān)閉順序關(guān)閉其余的電源。如果故障記錄電路對電源故障的反應速度足夠快，捕獲的情況將顯示電源1有故障，以及其余的電源工作正常。但如果故障記錄電路的響應時(shí)間緩慢，它會(huì )記錄電源2，3和4都有故障。這樣的故障情況是沒(méi)用的。故障記錄電路應具有以下特點(diǎn)：

　　- 準確找到任何電源故障(<1%的誤差)，以增加捕獲的故障情況的可靠性

　　- 在100微秒內啟動(dòng)故障記錄過(guò)程，盡量減少原始故障對捕獲情況的后續影響。

　　電源管理實(shí)現示例

　　一個(gè)實(shí)現復雜的電源管理的常用方法(圖2)是使用DC-DC轉換器的電源良好信號，以監測這個(gè)電源，并使用CPLD來(lái)實(shí)現定序算法(控制DC-DC轉換器的使能信號)。CPLD也產(chǎn)生監測信號，如電源就緒/故障電壓中斷和復位信號。

　　圖2：使用電源良好信號對比電源管理監測實(shí)際電源電壓

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　- 滿(mǎn)足所有的定序要求

　　- 電源的數量可擴展

　　- 電源上電或電源關(guān)閉的定序算法的大小/復雜性沒(méi)有限制

　　- 定序算法可以與電源定序之間的監控信號(電源良好/故障電壓指示)交錯

　　- 由任意數量的數字輸入控制定序和監測算法

　　- 在現場(chǎng)系統可以更新定序算法而不中斷電路板的工作

　　缺點(diǎn)：

　　- 有效的“電源良好”信號并不意味著(zhù)電源工作在集成電路正常工作的范圍內。大多數DC-DC轉換器的電源良好信號有8%至20%的監測誤差。但是大多數集成電路的電源容差是在3至5%之間。例如，1.2V電壓的實(shí)際電壓(核電壓)可以低于額定值的10%(1.08V)，但DC-DC轉換器電源良好信號可以指明電源是好的，CPLD可能未激活其復位信號。因此，CPU可能會(huì )掛起，并重寫(xiě)閃存的一個(gè)部分(閃存訛誤)。DC-DC轉換器的電源良好信號不應該被用來(lái)作為電源電壓故障指示，產(chǎn)生監控信號，諸如“復位”或“低電壓中斷”。

　　- 即使電源電壓處于運行容差之前，通常一些集成電路是能夠工作的，。因此，定序算法等待一個(gè)額外的時(shí)間，使該集成電路板可靠地啟動(dòng)。

　　- 增加軟件的調試時(shí)間- 由于精度差的CPU的電源良好信號和存儲器電源，會(huì )發(fā)生閃存訛誤的情況。很難區分是軟件錯誤，還是由于故障電源引起的意想不到的程序執行情況。因為沒(méi)有辦法確定硬件的電源故障，在歸咎于故障電路板之前，軟件工程師浪費了時(shí)間，責怪由于閃存訛誤產(chǎn)生了軟件錯誤。這可能會(huì )導致產(chǎn)品發(fā)布時(shí)間的延遲。

　　用Platform Manager實(shí)現分布式檢測和集中控制

　　圖3展示了遠程傳感和實(shí)施集中控制。這種架構類(lèi)似圖2所示的電路方案。由于比較器和ADC的整合，這種方案需要的元件數量最少。此解決方案使用了一片萊迪思的Platform Manager和兩片萊迪思的Power Manager集成電路，實(shí)現了多達36個(gè)電壓的電源管理。

　　萊迪思的Platform Manager器件集成了對12個(gè)電源電壓的監測，一個(gè)48宏單元的CPLD和一個(gè)640 LUT的FPGA。Power Manager器件可用于檢測和控制多達12個(gè)負載電源。整個(gè)電源管理算法在Platform Manager內的FPGA部分實(shí)現。Platform Manager還支持電源的微調和裕度調整。

　　圖3使用Platform Manager的分布式電壓檢測和集中控制

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　- 完全靈活的定序支持多達36個(gè)電壓，因為在FPGA內實(shí)現中央電源管理。對每個(gè)電源故障情況的時(shí)間調整或定序響應沒(méi)有限制。

　　- 可靠無(wú)折衷的產(chǎn)生靈活的監控信號，因為電壓監測精度為0.7%。此外，因為Platform Manager 和Power Manger器件支持差分電壓檢測，精度不會(huì )因為電路板任何部分之間的接地電壓差而受到影響。

　　因為所有電源故障狀態(tài)都被發(fā)送到FPGA，對任何故障的算法響應用100微秒的時(shí)間，能夠立即產(chǎn)生監控信號。這樣的速度，再加上很高的監測精度，最大限度地減少了閃存訛誤的機會(huì )。

　　- 電路板上任何電源故障或其他任何故障可以在100微秒內記錄到非易失性存儲器。這將確保故障捕獲情況中包含了主要故障。

　　- 電源管理算法可以使用HDL代碼實(shí)現或使用簡(jiǎn)化的算法開(kāi)發(fā)工具，稱(chēng)為L(cháng)ogiBuilder來(lái)實(shí)現?？梢詫υ摮绦虺浞诌M(jìn)行模擬，對算法可以進(jìn)行微調：最大限度地減少電路板由于錯誤而重新返工的風(fēng)險。

　　電源管理算法可以在系統內更新，而不中斷電路板的工作。該器件還存儲了一個(gè)“golden image”，所以如果在系統更新被中斷，電路板的電源被重新啟動(dòng)，該電路板使用這個(gè)golden image重新工作。

　　Platform Manager 和the Power Manager之間的通信很簡(jiǎn)單，萊迪思提供了參考設計。用戶(hù)只需添加此參考設計到實(shí)際的電路板的電源管理算法。該參考設計提供自動(dòng)管理所有器件之間的通信，而不干預主要電源的管理算法

　　總結

　　要求CPLD對電路板上超過(guò)12個(gè)電壓實(shí)現電源管理功能，如定序，復位產(chǎn)生等功能。這些設計取決于電路板上按裝的DC-DC轉換器產(chǎn)生的電源良好信號，用以監控這些電壓。然而，精度差的這些電源良好信號會(huì )導致電路板功能的可靠性大大降低。增加電路板的可靠性可以通過(guò)用精確的比較器替代這些電源良好信號，監控DC-DC轉換器的實(shí)際輸出電壓。

　　本文闡述了一個(gè)可擴展、在系統可升級，星型拓撲結構的電源管理架構，能夠滿(mǎn)足在一塊復雜的電路板上超過(guò)12個(gè)電壓的電源管理要求。通過(guò)使用萊迪思的Platform Manager 和Power Manager器件，提高了電路板功能的可靠性，能夠準確的監控DC-DC轉換器的輸出電壓(使用片上精密比較器)，而無(wú)需折衷FPGA內的電源管理算法。