電源管理案例分析--基于CompactPCI電路板

　下面的設計實(shí)例將使用萊迪思半導體公司的ispPAC Power Manager II系列，ispPAC-POWER1220AT8。基于工業(yè)標準的基于宏單元的CPLD架構，這個(gè)器件針對電源管理應用進(jìn)行了優(yōu)化，集成了專(zhuān)門(mén)的I/O，如可編程電壓監視輸入和high-side　MOSFET驅動(dòng)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，以及次級電源監控和時(shí)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(gè)原因，出于明確起見(jiàn)，U1的腳被賦予相應的描述性的標簽，在此特定應用中對應它們的編程功能。在其他應用中，該器件的引腳可通過(guò)使用萊迪思的PAC-Designer設計軟件賦予不同的功能和相應的名稱(chēng)。

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

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

　　U1的電壓監控輸入可直接檢測0至5.75V的電壓范圍，可用于直接監測多個(gè)電源電壓。但是在+12V電源供電的情況下，需要有一個(gè)外部電阻分壓器，將12V電壓降至一個(gè)合適的范圍。使用電阻分壓器轉換到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）能夠監測3.3V和5V電源線(xiàn)上的電流。
除了Power Manager II的通用數字和模擬I/O，器件還提供一個(gè)I2C數字接口，用獨立的監控處理器可以進(jìn)行控制和監測。在cPCI板上實(shí)施高級監測和診斷功能時(shí)，這個(gè)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)調操作的邏輯處理。適當處理的定義往往是比支持硬件的定義實(shí)施更為復雜的任務(wù)，特別表現在要求硬件和軟件密切配合實(shí)現功能。例如，圖3電路可以在3.3V和5V線(xiàn)上對浪涌電流進(jìn)行限制，而不需要硬件電流調節器。當電路板插入背板時(shí)，控制器（U1）處于等待狀態(tài)，直到電源電壓趨于穩定，以及/BD_SEL信號變?yōu)榧せ顮顟B(tài)。使用U1的軟啟動(dòng)MOSFET驅動(dòng)器，然后打開(kāi)MOSFET M1和M2。不斷監測流經(jīng)M1和M2的電流，如果電流增加超過(guò)可編程的閾值，關(guān)閉M1和M2。然后電流開(kāi)始迅速下降，當它低于閾值時(shí)，MOSFET再重新打開(kāi)。這一過(guò)程不斷持續，直到3.3V和5V電壓達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(huà)，就可以使硬件更簡(jiǎn)單，更便宜?！?/p>

　　規范板級電源管理

　　使用可編程器件作為電源系統控制器的一個(gè)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(kāi)發(fā)過(guò)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計人員和設計部門(mén)建立一個(gè)或多個(gè)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

　　本文用具有輔助POL穩壓器的CompactPCI熱插拔控制器為例，介紹了面向系統的方法來(lái)設計電源管理系統。用硬件和邏輯基元設計定義設計要求簡(jiǎn)化了硬件設計，使很多復雜的設計轉成用可編程邏輯實(shí)現。這種方法使得設計既降低了成本，還可以隨時(shí)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(mǎn)足復雜電源管理需求的候選器件，盡管每個(gè)都代表了完全不同的基本設計理念。這兩種類(lèi)型的器件具有各自的優(yōu)勢，在特定的應用中，根據需求進(jìn)行更適合的選擇。

　　數據轉換：微控制器通常會(huì )依賴(lài)有前端多路復用的模數轉換器，以監控若干個(gè)電壓輸入，而Power Manager II對每個(gè)輸入都設置了單獨的閾值或窗口比較器。微控制器有著(zhù)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(guò)任務(wù)切換必須'模擬'并行處理?；谕綘顟B(tài)機/組合邏輯模式， Power Manager II器件可以實(shí)現真正的并行處理。它能夠對外部的事件做出快速的反應，也可能導致在設計中概念上比多任務(wù)處理更加簡(jiǎn)單。

　　錯誤恢復：在基于微控制器的實(shí)時(shí)系統中，看門(mén)狗定時(shí)器是一個(gè)關(guān)鍵的器件，如果代碼執行過(guò)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(mén)狗定時(shí)器的周期，在錯誤得到糾正之前，代碼可能已執行了數百毫秒。相反，當使用Power Manager II的基于同步狀態(tài)機的模式，合適的定義未使用的狀態(tài)，將在一個(gè)時(shí)鐘周期內糾正錯誤狀態(tài)。此外，正在執行的組合邏輯功能完全不可能跑飛。

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