計算機外設的電源管理

標準化的要求

通過(guò)附加外設來(lái)擴展計算機的功能時(shí)，需要使用標準接口才能實(shí)現不同廠(chǎng)商應用的全部功能。使用無(wú)線(xiàn)通信增加臺式機的功能，或者通過(guò)使用更多的內存條來(lái)增加筆記本電腦的內存，這些方法使得低價(jià)的入門(mén)級計算機可以升級或根據個(gè)人需要進(jìn)行添減。20世紀90年代初，個(gè)人電腦附加卡標準的出現使得不同供應商的內存條都可以用到筆記本電腦上。PCMCIA（個(gè)人計算機存儲卡國際協(xié)會(huì )）的成立規范了接口標準，允許使用閃存或硬盤(pán)驅動(dòng)器等插入式附加卡來(lái)擴展筆記本電腦內存。許多其他廠(chǎng)商自然很快就意識到，他們的專(zhuān)用功能也可以通過(guò)PCMCIA卡添加到這些設備上。
存儲、通信和游戲應用等方面制造商加入了PCMCIA，理解這個(gè)接口標準或對這個(gè)標準施加影響，使筆記本電腦可以使用他們的器件。隨著(zhù)主機系統和卡應用的多樣化，設計師們很快就發(fā)現需要慎重考慮卡的工作和啟動(dòng)電源要求，防止供電和系統故障。例如，許多應用所需的磁盤(pán)驅動(dòng)器馬達啟動(dòng)或電源保持電容是一個(gè)潛在的問(wèn)題。它們可能會(huì )導致很大的浪涌電流，使得主機電源過(guò)載，導致系統崩潰或超過(guò)主機供電MOSFET電源開(kāi)關(guān)的安全工作區（SOA）。PCMCIA標準委員會(huì )需要解決的問(wèn)題包括電壓、電流（包括浪涌電流）和定序。雖然PCMCIA早已解散，其標準化的電源供電規范現在仍在其他各種附加卡中使用，包括取代PCMCIA卡的PC卡。
系統設計方法
類(lèi)似PC卡，PCI Express（PCIe）解決了PC中附加卡的電源要求。并且適用同樣的電源供電考慮，類(lèi)似PC卡，PCIe卡也可以生成次級電壓，根據不同的應用，需要定序和監測。此外，仍需使用外設來(lái)預防浪涌電流，而其輸入電容循環(huán)充放電，相當于添加和移除外設。電源管理已經(jīng)從由分立邏輯電路和ASIC控制器實(shí)現的MOSFET開(kāi)關(guān)，控制一個(gè)或兩個(gè)電壓，發(fā)展到ASSP，如熱插拔/軟啟動(dòng)控制器、電源定序器和跟蹤器、電壓監控器、復位發(fā)生器和看門(mén)狗定時(shí)器。然而，隨著(zhù)不同應用需要不同的組合和不同版本的ASSP，全面的電源管理設計可能會(huì )昂貴而且復雜。由于有來(lái)自許多不同的廠(chǎng)商提供的數百種器件，選擇正確組合的器件可能是十分艱巨的任務(wù)。因而，設計師們常常會(huì )簡(jiǎn)化他們的電源管理設計，無(wú)視某些可能出現的故障情況或者假設某種特定的序列會(huì )一直出現。舉一個(gè)例子，一個(gè)電源管理設計僅監測輸入電源電壓，然后通過(guò)一個(gè)穩壓器電壓正常來(lái)使能下一個(gè)穩壓器，從而實(shí)現其他次級電壓的上電?？梢钥隙ǖ氖?，這種方法不需要獨立的定序器和多個(gè)高精度電壓監測器來(lái)監視每個(gè)電壓，從而降低了成本和復雜性。但是，盡管這種順序上電的方法降低了成本和復雜性，電源故障的響應時(shí)間可能顯著(zhù)延遲，這將導致嚴重的數據損壞，產(chǎn)生不完整的數據包并且破壞已經(jīng)存儲的數據。

圖1——PCIe電源需求

PCIe為各種插槽定義了電壓、電流和卡輸入電容。圖1顯示了PCIe規范，定義了+12 V和3.3 V電源和容限、容性負載和最大電流，包括不同的卡的浪涌電流。PCIe還支持熱插拔卡，需要仔細考慮限制熱插拔卡的啟動(dòng)電壓擺率。應使用電壓監控器監測輸入電源，以確定電壓擺率的限制。雖然PCIe不指定電源上電時(shí)序，一個(gè)使用次級電源的獨立應用可能需要復雜的時(shí)序。

圖2——PCIe啟動(dòng)波形

圖2顯示了一個(gè)PCIe卡的啟動(dòng)時(shí)序。箭頭所示的一個(gè)關(guān)鍵參數是在卡插入后的100ms周期內，12V和3V電源穩定。100ms后，該卡通過(guò)PCIe總線(xiàn)主機發(fā)出PERST#高電平信號使能。通常100ms時(shí)間太短，不足以完成卡上次級電源上電和大型FPGA、ASIC和其他配置器件的初始化。通常需要脈沖展寬或PERST#信號延遲來(lái)滿(mǎn)足每塊板的需求。

圖3——斷電波形

圖3顯示了一個(gè)PCIe卡的斷電時(shí)序。PERST#初始化關(guān)斷，使器件能夠以可控的方式在供電電源衰減之前斷電。如果卡在插槽通電時(shí)突然拔出，器件將突然斷電，這可能會(huì )導致災難性的后果。因而，應當小心設計電路板，使它們能夠處理突然的拔出并以可控的方式使電路板斷電。