CompactPCI電路板的電源管理案例研究

電源管理的挑戰

　　由于電路板組件集成了越來(lái)越多的子系統，他們的電源分配和管理系統的復雜性不斷上升。由于這些系統變得越來(lái)越復雜，傳統的固定功能的以硬件為中心的電源管理方案很快變得相當笨拙。另一種方法是用自上而下的，需求驅動(dòng)的辦法來(lái)解決設計問(wèn)題。取代試圖圍繞一個(gè)或多個(gè)固定功能的集成電路來(lái)設計電路板的電源管理功能，設計人員用獨立的物理和邏輯功能來(lái)定義系統，根據這些功能來(lái)推動(dòng)設計。用這樣的方法進(jìn)行設計需要更新設計理念，系統的控制邏輯從硬件轉移到固件或軟件。而且，這些優(yōu)點(diǎn)是減少了所需元器件的數量、降低了系統的成本，在適應無(wú)法預料的需求方面具有更大的靈活性。

　　本文介紹了這個(gè)面向系統的方法的實(shí)例，將其應用到CompactPCI（cPCI）板級電源管理，其中包括熱插拔功能。

　　基本的CompactPCI電路板的電源管理

　　圖1展示了一個(gè)支持熱插拔的cPCI板的電源管理系統的頂層設計圖。當這塊電路板插到背板時(shí)，熱插拔控制器必須完善地執行以下的操作：

　　1）測試cPCI總線(xiàn)電源處于穩定狀態(tài)，且用/BRD_SEL信號使電路板就位。這些條件得到滿(mǎn)足時(shí)，控制器可以連接電路板的電源系統到總線(xiàn)電源。對于電路板吸取大電流的電源線(xiàn)路，電源管理可能還需要控制電壓上升率，以防止在系統中可能瞬態(tài)破壞其他電路板的運作。

　　2）監控cPCI總線(xiàn)的控制信號，尤其是/PCI_RST。電源管理器必須使本地復位信號/LOCAL_PCI_RST有效，在所有電路板級電壓穩定之后，保持一定的時(shí)間，以確保電路板上的系統正確初始化。

　　3）監控板上的電源電壓，電流和電路板上子系統的狀態(tài)信號，以確定一切是否正常工作。如果是這樣的情況，那么控制器可以使cPCI總線(xiàn)上的HEALTHY信號有效。在出現故障情況下，該控制器需要以盡量減少潛在損害的方式作出反應。

　　圖1即使是一個(gè)簡(jiǎn)單的cPCI電源管理系統也有各種需求，專(zhuān)門(mén)功能的控制芯片可能不滿(mǎn)足這些要求。例如，1.8V和1.2V的POL轉換器的時(shí)序要求將需要額外的控制電路。

　　相反，當熱插拔控制器檢測到電路板正在從系統中拔出，在電源連接器斷開(kāi)之前，必須確保電路板邊緣的電源已脫開(kāi)。不這樣做話(huà)就會(huì )在背板的電源上產(chǎn)生電弧和瞬變，可能會(huì )干擾其他正在運作的電路板。

　　在實(shí)際的熱插拔控制系統中，即便是一個(gè)簡(jiǎn)單的系統，還有其他一些重要細節可能需要控制器進(jìn)行處理，例如如果未能妥善處理過(guò)流檢測的情況，可能影響系統中的其他電路板。如果對于cPCI系統使用專(zhuān)用功能的cPCI熱插拔控制器，通常提供（但不總是）上面所述的基本時(shí)序和診斷功能。如果電路板能夠在一個(gè)約束的專(zhuān)門(mén)功能的熱插拔控制器內工作，這也許是最簡(jiǎn)單的解決辦法?！?/p>

　　CompactPCI的電路板電源管理不僅僅是熱插拔控制

　　隨著(zhù)板級集成度的不斷提升，對電源管理的作用和復雜性的要求也越來(lái)越高。多個(gè)器件可能需要遵循特殊的上電和斷電時(shí)序。甚至使用多個(gè)電壓支持核和I/O電路的單芯片可能需要專(zhuān)門(mén)的時(shí)序。通過(guò)使用DC-DC轉換器及負載點(diǎn)(POL)穩壓器，往往是在本地電路板上提供多個(gè)電源，并可能需要單獨的監測和控制功能?！?/p>

　　設計用于不間斷計算和通信應用中的系統帶來(lái)了額外的電源管理問(wèn)題。例如，電路板上一個(gè)子系統中的一個(gè)元件失效時(shí)，它可能只需要能夠關(guān)閉有故障的子系統，而允許電路板上的其它子系統繼續工作。

　　實(shí)現設計的一種方式是開(kāi)始用一個(gè)或多個(gè)'標準'的電源管理集成電路，支持所需的單個(gè)功能，然后再設計一個(gè)協(xié)調它們運作的系統。根據協(xié)調的復雜性，實(shí)現可能是簡(jiǎn)單的粘合邏輯，或復雜的微控制器和支持固件（圖2）。

　　圖2電源管理系統可以通過(guò)組合標準的電源管理集成電路與頂層控制功能來(lái)實(shí)現。雖然簡(jiǎn)單設計是可行的，當人們試圖提供獨立控制器的各種功能和接口需求時(shí)，這種方法很快變得無(wú)法控制。

　　雖然這種ad-hoc方式可能會(huì )形成一個(gè)有用的設計，但是可能由于未使用的功能和復制的功能，以及大的封裝而造成不必要的費用。此外，即使最終能夠與微控制器相協(xié)調，這種解決方案的硬連線(xiàn)的性質(zhì)會(huì )使人難以逐步修改設計來(lái)解決問(wèn)題，或支持產(chǎn)品的遷移。

　　面向系統的方法

　　取代從一個(gè)或多個(gè)預先定義的控制器集成電路實(shí)現電源管理系統的方法，更有效的方法是首先考慮需要那些基本功能，以支持電源管理系統。這些功能可以分為支持硬件測量和控制的資源，支持時(shí)序和組合處理創(chuàng )建的邏輯運算。表1列出了需要實(shí)現電源管理的最常見(jiàn)的部分功能。

　　表1 通用電源管理功能