利用標準化的可編程電源管理方案優(yōu)化PCB設計

1. 選擇各種DC-DC 轉換器為PCB供電；

2. 電源啟閉排序/跟蹤；

3. 電壓監測；

4. 上述全部。

在本文中，電源管理被簡(jiǎn)單定義為：對PCB上的全部電源實(shí)施管理(包括：DC-DC轉換器、LDO等)。電源管理包括如下功能：管理PCB上DC-DC控制器。例如，熱插拔、軟啟動(dòng)、排序、追蹤、容限和規整；生成全部相關(guān)的電源狀態(tài)和控制邏輯信號。例如，復位信號生成、電源故障指示(監控)和電壓管理。圖1演示了一個(gè)采用CPU或微處理器的PCB上的典型電源管理功能；熱插拔/軟啟動(dòng)控制功能用于限制浪涌電流以減小電源的啟動(dòng)負載。對插入有源(live)基板的PCB來(lái)說(shuō)，這是個(gè)重要功能；電源排序和跟蹤功能用于在滿(mǎn)足PCB上的全部器件對上電順序要求的前提下，控制如何開(kāi)/關(guān)多個(gè)電源。對所有電壓進(jìn)行故障(過(guò)/欠壓)監測以向處理器就即將發(fā)生的電源故障進(jìn)行預警。該功能也被稱(chēng)為“監管功能”。

圖1：PCB上的典型電源管理功能。

在處理器上電時(shí)，復位生成功能為處理器提供可靠的啟動(dòng)條件。有些處理器要求在處理器全部工作電源都穩定后，復位信號仍保留一段時(shí)間。這也被稱(chēng)為復位脈沖展延。復位發(fā)生器的功能是當電源發(fā)生故障時(shí)，使處理器保持在復位模式以防止板上閃存發(fā)生不希望的錯誤。

傳統電源管理方案的局限性

傳統上，PCB上的每一電源管理功能是分別由單獨的功能IC實(shí)現的。對不同的電壓組合，這些IC有不同型號。這樣，就有來(lái)自不同廠(chǎng)家的數百個(gè)單一功能IC型號以滿(mǎn)足不同的電源管理需要。例如，為選擇一款復位發(fā)生器IC型號，必須提供以下信息：

1. 該復位發(fā)生器IC需監測的電壓路數；

2. 電壓的組合(3.3、2.5、1.2或 3.3、2.5、1.8等)；

3. 故障檢測電壓的%(3.3V-5%、3.3V-10%等)；

4. 精度(3%、2%、1.5%等)；

5. 借助外接電容控制的復位脈沖展延功能；

6. 手動(dòng)復位輸入。

為處理這些參數所有可能的變化，單就一個(gè)復位發(fā)生器IC來(lái)說(shuō)，僅一家廠(chǎng)商就可有幾百個(gè)型號。另外，若在設計過(guò)程中，工程師需監測另一個(gè)電壓(很可能)，則必須選另一個(gè)不同型號的產(chǎn)品。類(lèi)似，許多單一功能IC即使僅就同一個(gè)功能、根據不同參數也會(huì )有許多型號，如熱插拔控制器、電源排序器和電壓監測/檢測器等功能IC。一個(gè)由多塊PCB構成的系統的每塊PCB都需要不同組的這些單功能IC，從而也增加的材料成本。

PCB設計的復雜性不斷增加

若單功能電源管理IC的使用曾經(jīng)還可管理的話(huà)，那也都是往事舊話(huà)了。許多PCB現一般使用若干多電壓器件，每個(gè)器件有不同的上電順序。工藝節點(diǎn)越精微的器件需要的電壓越低，但電流加大。設計師常常需要利用每個(gè)多電壓電源IC的一個(gè)負載點(diǎn)。這樣，PCB上使用的電源數將增加。隨著(zhù)電源電壓回路的增加以及需多個(gè)排序管理，電源管理變得更復雜。

隨著(zhù)PCB設計變得日益復雜，傳統的電源管理方案變得更難以招架。目前，利用傳統單功能IC實(shí)現電源管理的設計師或不得不放棄監測某些電壓或針對每一電源管理功能選用多個(gè)單功能器件。以下兩種方法都不可取。

1． 加大了PCB面積降低了可靠性

單功能IC數的增加以及隨之而來(lái)的其間的互連不僅增加了PCB面積，從統計學(xué)的角度看，還降低了PCB的可靠性。例如，有可能增加組裝出錯概率，從而導致不可預見(jiàn)(肯定是不好)的結果。

2．第二供貨渠道以及設計妥協(xié)

若單功能器件是從不同供應商處選購的，則增加了因哪怕只有其中一個(gè)器件不能按時(shí)到位而導致的生產(chǎn)延誤風(fēng)險。這又反過(guò)來(lái)導致對第二供貨渠道的需求。但，第二渠道會(huì )降低設計工程師的器件可用性，從而因這些拿不到手的器件迫使設計師不得已犧牲PCB的故障監控覆蓋范圍。

組裝和測試費用與系統中所用的器件數成正比。而器件單位成本與購買(mǎi)批量成反比。因在一個(gè)給定系統中需要許多器件，而構造系統所需的每種器件都變少，所以增加了總體系統成本。例如，假設一個(gè)系統有10塊PCB，每年將制造1,000個(gè)這樣的系統。若每塊PCB采用單功能IC實(shí)現電源管理，則為了完成設計大概需要10種不同的單功能IC。則這些單功能IC每年的需求量是1,000塊。批量1,000時(shí)的單價(jià)當然高于批量10,000時(shí)的單價(jià)，所以，與全部PCB都采用同一種單功能電源管理IC的方案比，前一種電源管理方案的成本肯定高。

采用多個(gè)單功能IC器件實(shí)現的傳統電源管理方案已成1980年代的陳年舊事，那時(shí)，數字設計師利用TTL門(mén)來(lái)實(shí)現邏輯功能。隨著(zhù)PCB復雜性的增加，設計師不得不在是選用固定功能的ASIC還是增加所用的TTL門(mén)的數量這兩個(gè)方案間選擇。不奇怪，系統設計所用的TTL器件數在急劇增加。

可編程邏輯器件(PLD)的出現使設計師可在給定的PCB單位面積內實(shí)現更多功能且還縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。因降低了系統所用的器件數，所以還降低了總體系統成本。因可在多個(gè)設計中使用同一個(gè)PLD，所以減少了系統所用器件數。公司能在不犧牲每塊PCB所需功能的前提下，對少量PLD器件進(jìn)行標準化處理。

管理少量的PLD比管理很多TTL門(mén)要容易地多。相同的PLD可被用于多個(gè)PCB設計，從而減少甚至不再需要第二家供貨渠道。設計師可在設計投板前，用軟件仿真設計，從而增加了一次成功的機會(huì )。目前，利用單功能電源管理IC就像過(guò)去采用TTL門(mén)一樣老套。設計當今復雜的PCB需要“電源管理PLD”。的確，采用這種器件現應是PCB設計的一種要約。

可編程電源管理方案

圖2顯示了一個(gè)采用單一可編程電源管理器件的典型PCB電源管理實(shí)現?？删幊屉娫垂芾砥骷枰删幊棠M和數字部分以簡(jiǎn)化多個(gè)傳統單功能電源管理器件的整合。設計師可配置可編程模擬部分以監測一組電壓組合而不必求助采用一個(gè)專(zhuān)門(mén)配置、廠(chǎng)家編程的單功能器件。

圖2：一個(gè)可編程電源管理器件可取代多個(gè)單功能IC。

需要用電源管理器件的可編程數字部分來(lái)定義針對PCB的邏輯，該邏輯結合可編程電源監測功能來(lái)實(shí)現諸如復位生成、電源故障中斷生成以及各個(gè)電源的排序。一個(gè)基于軟件的可編程設計方法論使電源管理器件能提供多種針對具體PCB的電源管理功能。

利用可編程電源管理器件

萊迪思半導體(Lattice Semiconductor)的Power Manager II器件是可編程電源管理器件的一個(gè)例子。Power Manager II整合了若干數字和模擬單元以支持多個(gè)單功能電源管理器件的整合。圖3是Power Manager II器件的框圖。圖3中所示的器件是Power1014A，它是Power Manager II系列中的一款產(chǎn)品。Power1014A可監測10種電源電壓、帶有14個(gè)輸出，可實(shí)現全部電源管理功能。Power1014A利用20個(gè)片上可編程精準門(mén)限比較器實(shí)現多達10組電壓的過(guò)/欠壓監測，典型監測精度是0.3%。數字監測輸入可用于連接諸如手動(dòng)復位、電源和關(guān)斷等數字信號。

圖3：萊迪思半導體的Power Manager II系列器件架構。

Power1014A有4個(gè)定時(shí)器，每個(gè)的編程范圍都是從32μs到2s，其間有122個(gè)步進(jìn)。這些定時(shí)器可用于控制排序延時(shí)、復位脈沖展延以及看門(mén)狗定時(shí)器。12路漏極開(kāi)路輸出可由片上的24宏單元CPLD驅動(dòng)來(lái)使能DC-DC轉換器以實(shí)現排序、為CPU生成復位信號及驅動(dòng)用于實(shí)現熱插拔功能的P溝道MOSFET。Power1014A還有兩個(gè)高壓(到12V)MOSFET驅動(dòng)器通過(guò)N溝道使能電源、或實(shí)現軟啟動(dòng)功能以及在負電壓電源上實(shí)現熱插拔功能。任何微處理器，借助片上的10位A/D轉換器、通過(guò)I²C總線(xiàn)可測量任一組電源電壓。該I²C總線(xiàn)還可用于監測電源比較器、輸入和輸出狀態(tài)。

可編程能力使電源管理標準化

通過(guò)簡(jiǎn)單地再配置可編程器件，設計師可借助一個(gè)可編程電源管理器件實(shí)現全部特定PCB電源管理功能。相同的可編程器件可被用于多個(gè)PCB而不是采用多個(gè)單功能IC。因此，設計師可在整個(gè)設計內對單一可編程電源管理器件實(shí)施標準化。將電源管理功能整合進(jìn)單一可編程電源管理器件并在多個(gè)PCB上利用同一器件，具有如下好處：

1. 縮小PCB體積、增加可靠性

將多個(gè)單功能IC集成進(jìn)一個(gè)器件的主要好處是減小了PCB面積。減少的器件數及相應的互連走線(xiàn)縮小了PCB面積并降低了成本。從統計學(xué)角度看，減少了的器件數還增加了PCB的可靠性。

2. 滿(mǎn)足復雜電源管理需求的能力

當今PCB上所用的電源數在增加。另外，監測和控制功能的復雜性也在增加。因可編程電源管理器件整合了更多的電源監測輸入(與單功能IC比)以及可編程數字邏輯部分，所以這些器件更適合實(shí)現復雜的電源管理功能。另外，可編程性提供能快速調適以滿(mǎn)足改變的規范要求的靈活性。

3. 無(wú)需第二個(gè)供貨渠道

一般來(lái)說(shuō)，第二渠道是為了規避因無(wú)法獲得器件造成生產(chǎn)延誤而采取的防范措施。一個(gè)典型系統實(shí)際上需來(lái)自不同供應商的多個(gè)小規模單功能器件的現實(shí)加劇了該需求。借助在所有PCB和項目中對單一可編程電源管理器件實(shí)施標準化，對既費時(shí)又浪費資源的第二渠道的需求可被顯著(zhù)降低甚至徹底不再需要。

4. 降低總體系統成本

可編程電源管理器件一般來(lái)說(shuō)比單獨的各單功能IC的總和價(jià)要便宜。另外，對系統內的多個(gè)PCB實(shí)施標準化電源管理，因批量加大折扣更高，又進(jìn)一步降低了成本。

5. 可用軟件實(shí)現電源管理功能

在利用由軟件實(shí)現的可編程電源管理器件進(jìn)行設計。典型情況，利用板上模擬器，軟件設計工具還支持對電源管理算法的驗證。因電源管理設計在投板前進(jìn)行了完全驗證，所以一次性通過(guò)的機會(huì )很高，從而進(jìn)一步加快了產(chǎn)品上市步伐。

本文小結

當今PCB上使用的電源數在持續增加，電源管理算法甚至也變得更加復雜。然而傳統過(guò)時(shí)的電源管理方案仍常常被用于這些對電源管理要求益發(fā)苛刻的應用，從而使PCB設計變得低效且昂貴、還常常因不得已的取舍而使結果留有缺憾。

本文針對這一復雜的電源管理問(wèn)題提出了一種設計方案：采用可編程、混合信號電源管理器件。設計師可對“電源管理PLD”實(shí)施標準化并在整個(gè)系統PCB上都采用該器件，從而降低了成本、增加了可靠性并加快了產(chǎn)品上市速度。