降低可編程電源系統設計風(fēng)險的方式

由于當前復雜邏輯器件的多元化及不斷變化的電源要求，對于系統設計師來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)能夠滿(mǎn)足系統電源需求的電源系統也變得越發(fā)艱難。開(kāi)發(fā)期間及開(kāi)發(fā)之后，與電源電壓的調整需求相比，固定電壓電源系統的靈活性差，這會(huì )增大設計風(fēng)險，導致設計項目延遲甚至被取消。而可編程電源系統能夠滿(mǎn)足這種靈活性的需求，從而圓滿(mǎn)地解決這一問(wèn)題。本文論述了可編程電源系統的優(yōu)勢和收益，并且討論了眾多降低系統設計風(fēng)險的方法。

　　多年前，系統設計師在設計系統電源時(shí)相對容易一些。邏輯運行需要5V電源，硬盤(pán)和軟盤(pán)驅動(dòng)器需要 12V電源；系統其他器件采用雙電源電壓來(lái)運行，或者可以添加一個(gè)負電壓電源。指定三種電源。易用性。

　　如今的復雜邏輯器件（FPGA、ASIC、SoC、ASSP等）有著(zhù)更為復雜的電源要求。系統中一個(gè)芯片便有可能需要三種或四種電源電壓。更糟糕的是，多個(gè)電源電壓的啟動(dòng)順序和定時(shí)對系統初始化起著(zhù)至關(guān)重要的作用。斷電操作期間切斷電壓的順序對芯片的正常停機同樣重要，并且還能夠極為有效地防止電源對IC造成的損壞。復位線(xiàn)或者多個(gè)復位線(xiàn)與電源電壓之間的定時(shí)關(guān)系也同樣相當重要。

　　此外，電源系統必須與當前的許多復雜系統實(shí)時(shí)交互，并且必須能夠根據快速波動(dòng)線(xiàn)和加載要求來(lái)實(shí)現實(shí)時(shí)重新配置。簡(jiǎn)而言之，與從前相比，當今復雜數字系統的電源系統設計有著(zhù)更為深遠的考量，它促進(jìn)了電源管理系統的發(fā)展，與圖1所示一樣，這是為了滿(mǎn)足當今越來(lái)越復雜的系統設計需求。然而，與以往相比，系統設計師卻較少考慮到這些問(wèn)題，這是由于他們更加關(guān)注極復雜邏輯系統的工作性能，以及大量相關(guān)固件是否能夠與硬件設計充分集成。

　　圖1,合并有電源管理系統的系統設計簡(jiǎn)化框圖。

　　電源問(wèn)題以及系統設計師的設計風(fēng)險

　　系統設計師需要定制電源以便處理當今 FPGA、介質(zhì)處理器、ASIC、SoC和 ASSP 的電源需求。在未來(lái)，這一趨勢必然仍將持續，但是有許多設計師缺乏設計高效率開(kāi)關(guān)電源所需的技能，也沒(méi)有時(shí)間去學(xué)習如何使用多個(gè)必要的傳統電源管理控制芯片來(lái)創(chuàng )建多電壓電源； 同時(shí)還缺乏進(jìn)行復雜計算的愿望，以及缺乏學(xué)習如何選擇不熟悉的電源元件如電源 FET和電源電感器的愿望。簡(jiǎn)而言之，系統設計師在開(kāi)發(fā)日益復雜的電源系統方面所花費的時(shí)間越來(lái)越少。正由于所花的時(shí)間不夠，大大提高了設計電源時(shí)的風(fēng)險，導致電源不滿(mǎn)足要求，需要返工，因而延誤了產(chǎn)品的推出。

　　此外，系統設計師需要降低由于元件置換導致的設計要求變更風(fēng)險、降低由芯片電源規范更改而產(chǎn)生的設計風(fēng)險，或者減少在整個(gè)電源電壓調整期間對芯片性能進(jìn)行微調的需求，所有上述風(fēng)險系數都可通過(guò)利用可編程電源來(lái)緩和?？删幊屉娫纯梢愿鶕斍跋到y元件不斷變化的要求，或者根據由于元件置換或系統擴充而產(chǎn)生的新要求來(lái)調整。有一種極為有效的方法可以處理生產(chǎn)，下線(xiàn)前及生產(chǎn)，下線(xiàn)后的元件變化。

　　因此，系統設計師需要找到能夠快便捷地開(kāi)發(fā)靈活插件板電源系統的新方法，該電源系統需能夠實(shí)現運行時(shí)的電源電壓重新編程，以處理未來(lái)在面對系統電源要求時(shí)的諸多未知難題。這種靈活且易于設計配置的電源系統可降低系統設計風(fēng)險。同樣重要的是：這些可編程電源系統極大地增強了設計靈活性，從而降低了系統設計風(fēng)險，卻不會(huì )提高電源成本。

　　電源發(fā)展趨勢

　　隨著(zhù)當前系統復雜性越來(lái)越高，其對電源的要求也不斷增長(cháng)，電源系統需要擁有比以往更高的能力應對當前的復雜系統。除了需要更多樣的電源電壓、電源、復位順序以及偏移不靈敏性之外，當前的系統設計還需要對電源電壓進(jìn)行更為精密的可編程控制，如 FPGA、介質(zhì)處理器、SoC和 ASSP等高級芯片足以充分證明此點(diǎn)，這些芯片是當前系統的核心所在。例如，最高級的 FPGA 需要三種或四種電源電壓。

　　表1顯示了連續幾代 Xilinx Virtex和 Spartan FPGA所需的電源電壓。需注意的是，有些 FPGA需要兩種電源電壓，有些需要三種，全部三種電源電壓都可以假定每一代的電壓值均不相同，這取決于系統設計。

　　表1,Xilinx FPGA系列和各代產(chǎn)品的電源電壓。

　　其他 FPGA廠(chǎng)商（包括 Altera和 Lattice）對于電源的要求也呈現出相似性。表2顯示了 Altera的 FPGA產(chǎn)品系列擁有相似的電源電壓信息。

　　表2,Altera FPGA系列和各代產(chǎn)品的電源電壓。

表1和表2中所列的信息顯示了多種 FPGA電源電壓隨幾代元件的演變方式，因此與電源系統的討論息息相關(guān)。系統設計有可能需要適應不同年代的FPGA或者采用不同核心電壓的不同產(chǎn)品系列的 FPGA.此外，這些相同的系統設計也有可能需要根據系統設計中的其他芯片而滿(mǎn)足不同的 I/O電壓要求。

　　需注意的是，表1并未對 FPGA對電源系統所提出的要求做詳細說(shuō)明。所有 FPGA廠(chǎng)商均規定了確保 FPGA正常運行所需的每一電源電壓的最小及最大必要勻變時(shí)間（單位：微秒至毫秒）。在創(chuàng )建電源系統時(shí)，這是系統設計師必須考慮的另一個(gè)因素。勻變時(shí)間不可過(guò)快或過(guò)慢。

　　對介質(zhì)處理器、SoC、ASSP和 ASIC的電源電壓有著(zhù)類(lèi)似的限制。由于對電源沒(méi)有標準規范，因此 IC設計小組可自由選擇完成設計所需的任何電源啟動(dòng)方案。滿(mǎn)足不斷變化的電源電壓要求是他人的問(wèn)題，而不由 IC設計小組負責。其他人通常指系統設計師。系統設計師負責滿(mǎn)足芯片的一切電壓和排序要求。當一個(gè)系統設計中有多個(gè)復雜芯片時(shí)，電源的復雜性便會(huì )翻倍。如需進(jìn)一步提高復雜性，可以將一個(gè)芯片的排序要求修訂為下一個(gè)序列，這樣便會(huì )需要更為準確的器件特性或者會(huì )導致設計變更。此時(shí)仍然由系統設計師負責滿(mǎn)足這些需求，無(wú)論這些需求是什么，也無(wú)論這些需求如何變化。

　　鑒于這些原因，從根本上逐步提高系統復雜性以及系統中所用芯片的復雜性時(shí)，需要將電源系統的能力改進(jìn)數倍，這就要求電源提供勻變倍數，并且精確控制各種電源軌之間的定時(shí)關(guān)系。若欲實(shí)現電源系統的上述高級能力，通過(guò)采用早期電源管理設計方法成本巨大或者根本無(wú)法實(shí)現。

　　系統設計師電源簡(jiǎn)史

　　在查看創(chuàng )建可編程電源系統的潛在設計方法之前，我們來(lái)簡(jiǎn)要回顧一下早期的方法，以便理解如今的系統設計為什么有著(zhù)更多需求。插件板上或負載點(diǎn)（POL）電源系統基于現有的開(kāi)關(guān)模式 PWM電源控制器和簡(jiǎn)單電源管理芯片。早期的開(kāi)關(guān)模式電源控制器采用易于理解的模擬 PID回路（比例，積分，微分回路）算法來(lái)調節電壓。這種設計表現良好但卻存在必須解決的設計問(wèn)題。

　　首先，這種控制器對外部元件隨時(shí)間和溫度的偏移非常敏感。這種偏移不會(huì )影響調節精度，因此根本不會(huì )影響電源控制器的調節能力。所有調節能力的潛在損失只與回路穩定性有關(guān)。如果精心設計的補償回路中的控制器元件與設計規范的偏移足夠大，則控制回路會(huì )變得不穩定，并且控制器也根本不再進(jìn)行調節。對這一問(wèn)題的解決方案是購買(mǎi)對偏移敏感度較低的更昂貴外部元件，對于對成本較為敏感的設計來(lái)說(shuō)，這一替代方式通常不建議采納。那么當前，哪些設計對成本不敏感呢？

　　第二個(gè)問(wèn)題是系統兼容性。如之前所討論的那樣，有幾個(gè)與系統有關(guān)的問(wèn)題，包括電源排序、各種插件板上電源和復位信號或多個(gè)信號間的定時(shí)關(guān)系、對一個(gè)或多個(gè)插件板上電源進(jìn)線(xiàn)微調以實(shí)現系統正常操作的可能性。所有這些問(wèn)題都需要超越單一的 PWM控制器芯片能力。

　　因此，IC廠(chǎng)商創(chuàng )造了能夠充當“數字包封”的電源管理芯片。這些芯片可控制多個(gè)模擬 PWM控制器的加電排序，可針對電源系統的設計來(lái)產(chǎn)生一個(gè)多芯片解決方案。盡管這一方法最初可以估算電源電壓排序和復位定時(shí)所需的靈活性類(lèi)型，但由于電壓被與PWM控制器芯片有關(guān)的外部元件所固定，因此不能滿(mǎn)足用來(lái)調整系統電源電壓的各種生產(chǎn)前及生產(chǎn)后的需求。此外，向包含多個(gè) PWM控制器芯片的設計中添加電源管理芯片還會(huì )增添另一個(gè)芯片，這會(huì )提升成本、增大設計復雜性并且耗費額外的面板空間。在看重設計空間尺寸的芯片中，這種電源系統設計解決方案會(huì )降低精密度。

　　現在我們需要什么？

　　我們現在需要的是一個(gè)可編程電源或者系統（PPS），它應該能夠提供多種精細可編程電源電壓，并且在各個(gè)電源電壓之間提供可獨立調整的斜升和斜降時(shí)間以及可調的排序延時(shí)。這種電源系統設計為系統設計師提供了必要的設計靈活性。該系統如今未得到廣泛應用的原因是其昂貴的價(jià)格。這種昂貴指的并不是基礎技術(shù)本身，而是由于電源 IC廠(chǎng)商以前未曾針對設計問(wèn)題采用充分的硅集成等級。但是，這種狀況注定會(huì )發(fā)生變化，而且這種變化已見(jiàn)端倪。

　　正如 FPGA可以方便地針對新系統需求或者不斷變化的系統需求為系統設計師提供靈活的可編程序邏輯結構一樣， PPS也能夠為系統設計提供一種可編程電源系統，以便匹配系統電源的所有變化或者新的要求?，F場(chǎng)可編程性為這兩種情況賦予了極大的靈活性。對于 PPS來(lái)說(shuō)，由于需要將硅集成從原有的 PWM技術(shù)完全轉換為數字控制電源系統，因此靈活性的增強是免費的。因此，系統設計師能夠顯著(zhù)增強電源系統的特征而不會(huì )增加成本。

　　與以前開(kāi)發(fā)數個(gè)固定穩壓器的方法相比，可編程電源系統能夠更加緊密地匹配當前復雜系統的需求。與過(guò)去相比，由于復雜 IC的電源電壓達到了前所未有的穩定性，因此如今的系統設計師對靈活性的要求更高。從前制作的 FPGA、微型控制器、SoC和 ASIC擁有穩定的電源電壓規格，但是新零件，特別是仍處于α或β采樣階段的新零件，在下一次修訂時(shí)就有可能提出不同的要求。只有可編程電源系統能夠滿(mǎn)足這種情況下所需的靈活性。

　　此外，有可能需要由可編程電源系統通過(guò)調節元件的工作電壓來(lái)調整各種系統元件的運行速度。當工作電壓處于 1V時(shí)，對電源電壓進(jìn)行“微調”會(huì )變得越來(lái)越普遍。

　　但即便在這種靈活性下，PPS的設計仍然比傳統開(kāi)關(guān)電源的設計更加簡(jiǎn)便。PPS器件采用基于軟件的設計工具來(lái)支持，這樣能夠更加簡(jiǎn)便地確定所需的電源電壓并且從設計工具中獲取所需的材料表（BOM）。此外，由于電源系統可編程，因此可以在電壓范圍內調整電源系統的輸出，只需改動(dòng) PPS控制器的編程即可。對于某些 PPS控制器芯片來(lái)說(shuō)，在系統操作期間，串行端口能夠讓插件板上的微型控制器來(lái)調整電源電壓。

　　PPS控制器還能夠為系統設計師帶來(lái)另一個(gè)實(shí)質(zhì)性的設計優(yōu)勢：只需了解一個(gè)器件，便可掌握21世紀系統所需的所有電源電壓范圍。了解一個(gè)器件以及與該器件有關(guān)的一個(gè)軟件設計工具便能夠讓系統設計師掌握所有電源要求-初始要求、開(kāi)發(fā)要求以及操作要求-這樣能夠簡(jiǎn)化產(chǎn)品電源系統的設計。

　　為可編程電源控制器芯片提供17種降低風(fēng)險的方式

　　當系統設計師在其設計中采用了各種不同的復雜邏輯器件時(shí)，PPS控制器 IC能夠讓他們以更為簡(jiǎn)便的方式滿(mǎn)足電源需求。PPS控制器至少有 17種可以降低風(fēng)險的具體方式：

　?。?）一個(gè) PPS控制器 IC可替換多個(gè)電源管理控制器，并且相關(guān)的系統設計有一個(gè)由集成電源系統管理器控制的可配置 PPS設計，這簡(jiǎn)化了插件板上的電源管理以及負載點(diǎn)的電源電壓調節，同時(shí)提高了整個(gè)可編程性范圍內的電源可控性，以相同或者更低的BOM成本實(shí)現了更高的能力和更大的靈活性。