利用可編程邏輯器件實(shí)現靈活的電源管理

電源管理一般是指涉及電路板供電方面的相關(guān)問(wèn)題。該相關(guān)問(wèn)題包含：
?選擇各種DC-DC轉換器為電路板供電
?電源供應排序/追蹤
?電壓監測
?上述全部

在本文中，電源管理被簡(jiǎn)單定義為：對電路板上的所有電源進(jìn)行管理(包括DC-DC轉換器及LDO等)。電源管理功能包含：
?管理電路板上DC-DC控制器——例如熱插拔、緩啟動(dòng)、排序、追蹤、裕度和微調。
?產(chǎn)生所有電源供應相關(guān)狀態(tài)和控制邏輯訊號——例如重置訊號產(chǎn)生、電源錯誤指示(監測)和電壓管理。圖1展示了一個(gè)采用CPU或微處理器電路板的典型電源管理功能。

圖1：電路板上的典型電源管理功能。

熱插拔/緩啟動(dòng)控制功能可用來(lái)限制突波電流以減少供應電源的啟動(dòng)負載。對插入帶電背板的電路板來(lái)說(shuō)，這是個(gè)很重要的功能。

電源供應排序和追蹤功能可在達到電路板上所有組件對順序的需求下，控制多個(gè)電源的開(kāi)/關(guān)。
所有供應電壓都被錯誤(過(guò)壓/欠壓)監測，以向處理器就即將發(fā)生的電源供應錯誤進(jìn)行預警。該功能也被歸類(lèi)為監督功能。

當電源啟動(dòng)時(shí)，重置產(chǎn)生功能提供處理器一個(gè)可靠的啟動(dòng)電壓。有些處理器會(huì )要求重置訊號在其內部所有電源供應都穩定后，仍能運作一段時(shí)間，這也被稱(chēng)作重置脈沖展延。重置產(chǎn)生器的功能是當電源供應發(fā)生錯誤情況時(shí)，使處理器保持在重置模式，以防止電路板上閃存無(wú)意中被破壞的情況。

傳統電源管理方案的限制

傳統電路板上的任何電源管理功能都是由個(gè)別單功能IC來(lái)執行的。不同的供應電壓組合有不同的IC型號可使用。因此，市面上就有來(lái)自不同廠(chǎng)商數以萬(wàn)計針對多重電源供應管理需求的單功能IC。
例如，若要選擇一款重置產(chǎn)生器IC型號，必須提供以下信息:
?該重置產(chǎn)生器IC需監測的供應電壓
?供應電壓組合(3.3、2.5、1.2或 3.3、2.5、1.8等)
?錯誤偵測電壓(3.3V-5%、3.3V-10%等)
?準確性(3%、2%、1.5%等)
?重置附加電容的重置脈沖擴展功能
?手動(dòng)重置輸入

為應付所有可能產(chǎn)生的變化，一家廠(chǎng)商可能就有幾百個(gè)重置產(chǎn)生器IC型號。若工程師在設計過(guò)程中(很可能)需要增加另一個(gè)電壓進(jìn)行監測，必須選擇一個(gè)額外且不同型號的IC。類(lèi)似地，許多單功能IC的型號也會(huì )隨著(zhù)些微功能的不同而有所差異，這些功能包括熱插拔控制器、電源供應排序器和電壓監測/檢測器等。多重電路板系統中的任何電路板均需要不同組的單功能IC，材料成本也因而增加。

日益增加的電路板復雜性

若單功能電源管理IC曾經(jīng)是可管理的，那也已經(jīng)是過(guò)去式了。大多數典型的電路板目前都使用若干多重電壓組件，每個(gè)組件都有電源排序需求。具有更小型晶體管的組件需要帶有增強電流的較低電源供應電壓。設計者常常被要求利用每個(gè)多重電壓IC的負載點(diǎn)電源，因此，電路板上的電源供應數就增加了。隨著(zhù)電源供應路徑的增加以及對多重排序管理的需求，電源管理也變得更加復雜。
隨著(zhù)電路板變得更復雜，傳統的電源管理方案便顯得難以招架。目前，利用傳統單功能IC執行電源管理的設計師要不是得犧牲監測某些電源供應，不然就得為個(gè)別電源管理功能選擇多個(gè)單功能組件。這兩種方法都不讓人滿(mǎn)意。

電路板空間增加卻降低了可靠性

單功能IC數的增加以及相關(guān)的互連不僅使電路板面積加大，從統計學(xué)的角度來(lái)看，還降低了電路板的可靠性。舉例來(lái)說(shuō)，不斷增加的組裝錯誤可能會(huì )導致不可預知(必然是不好)的結果。

第二貨源及設計妥協(xié)方案

若單功能組件是從不同供貨商選購而來(lái)，即使發(fā)生缺少某一組件，都將增加生產(chǎn)延誤風(fēng)險，于是第二貨源就此產(chǎn)生。然而，第二貨源降低了設計工程師的零件可用性，迫使設計師不得不就電路板的錯誤覆蓋范圍做出折衷。

系統成本增加

組裝和測試費用與系統中所用的組件數成正比，而組件單位成本與購買(mǎi)數量成反比。由于許多組件是為特定系統需求而提供，但用來(lái)建構系統的每一種類(lèi)型組件數量卻都很少，因此，整體系統成本就隨之增加了。

舉例來(lái)說(shuō)，假設一個(gè)系統有10塊電路板，以每年制造1,000個(gè)系統的速度進(jìn)行，若每塊電路板的電源管理都采用一種單功能IC，那么很可能需要10種不同的單功能IC來(lái)完成這個(gè)系統設計，這些單功能IC的年產(chǎn)量也許只有1,000顆，而1,000顆IC的單價(jià)當然高于10,000顆，所以，與采用同一種多功能單芯片電源管理方案相較——即所有電路板都能使用相同的IC，單功能IC電源管理系統所需成本必然更高。

用多個(gè)單功能IC組件來(lái)執行傳統電源管理方案令人聯(lián)想到1980年代時(shí)，數字設計師利用TTL閘極來(lái)執行邏輯功能。隨著(zhù)電路板復雜性的增加，設計師被迫不是得用固定功能的ASIC，就是得增加電路板使用的TTL組件數目。但不意外的是，系統設計所使用的TTL組件數目因此急速增加。

可編成邏輯組件(PLD)的出現使設計師可在電路板特定的單位面積內執行更多功能，也同時(shí)縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。系統中的零件數目減少了，也降低了整體系統成本。相同的PLD組件可用在多種設計里，也減少了系統使用組件的數目。公司能在不犧牲任何電路板所需功能的前提下，對少量PLD組件進(jìn)行標準化處理。

管理少量的PLD比管理大量的TTL閘極要容易的多。相同的PLD可被用于多個(gè)電路板設計，因而減少甚至不再需要第二貨源。設計師可在將組件放置到電路板上以前，用軟件仿真設計，因而增加了第一次就設計成功的可能性。

如今，利用單功能電源管理IC就如同過(guò)去采用TTL閘極一樣麻煩，當今復雜的電路板設計需要’電源管理PLD’。的確，這個(gè)電源管理PLD根本就是電路板設計的必要組件。

可編程電源管理方案

圖2展示了一個(gè)采用單一可編程電源管理組件的典型電路板電源管理實(shí)例?？删幊屉娫垂芾斫M件需要可編程模擬和數字單元以促進(jìn)多個(gè)傳統單功能電源管理組件的整合。設計師可配置可編程模擬單元以監測一個(gè)電壓組合，而不必依靠使用一個(gè)專(zhuān)門(mén)配置、廠(chǎng)商編程的單功能組件。

圖2：用可編程電源管理組件取代多個(gè)單功能IC。

電源管理組件的可編程數字單元需要用來(lái)定義特定電路板邏輯；該邏輯結合了從可編程電源監測功能得來(lái)的結果；以執行諸如重置產(chǎn)生、電源供應錯誤中斷產(chǎn)生、以及各電源排序等功能。一個(gè)可編程的軟件設計方法使電源管理組件能提供廣泛的電源管理功能。

利用可編程電源管理組件

以Lattice Semiconductor的Power Manager II組件為例，該組件是一款可編程電源管理組件。Power Manager II整合了若干數字和模擬單元以支持多個(gè)單功能電源管理組件的整合。圖3是Power Manager II組件的圖標。

圖3：Power Manager II系列組件示意圖。

圖3所示為Power1014A組件，它是Power Manager II系列中的一款產(chǎn)品。Power1014A可監測10個(gè)電源供應路徑、具有14個(gè)電源輸出，可執行所有電源管理功能。

Power1014A利用20個(gè)內建可編程臨界值精密比較器監測多達10組電源供應的過(guò)壓/欠壓狀態(tài)，一般監測精密度是0.3%。數字監測輸入適用于連接諸如手動(dòng)重置、電源供應和切斷等數字訊號。

Power1014A有4個(gè)定時(shí)器，在122個(gè)步進(jìn)中，可編程范圍都是從32us到2s。這些定時(shí)器可用來(lái)控制排序延遲、重置脈沖展延以及用作看門(mén)狗定時(shí)器。

12個(gè)開(kāi)汲極輸出可由芯片上的24個(gè)宏單元CPLD驅動(dòng)，使DC-DC轉換器能排序、產(chǎn)生一個(gè)CPU重置訊號，也能驅動(dòng)一個(gè)P信道MOSFET來(lái)執行熱插拔功能。

Power1014A還有兩個(gè)高壓(達12V)MOSFET驅動(dòng)器透過(guò)N信道MOSFET達成電源供應、或執行緩啟動(dòng)功能以及執行負極電源供應路徑上的熱插拔功能。

透過(guò)I2C總線(xiàn)，任何微處理器借助內建的10位模擬數字轉換器都可測量任何電源供應電壓。該I2C總線(xiàn)還能用于監測電源供應比較器、輸入和輸出狀態(tài)。

可編程特性使電源管理標準化

透過(guò)簡(jiǎn)單地再配置可編程組件，設計師可借助一個(gè)可編程電源管理組件執行全部特定電路板電源管理功能。相同的可編程組件可被用于多個(gè)電路板而不是采用多個(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組件進(jìn)行標準化。

對電源管理功能進(jìn)行標準化

在多個(gè)電路板上利用同一個(gè)整合了電源管理功能的單一可編程電源管理組件的好處如下：

電路板面積縮小、可靠性增加：將多個(gè)單功能IC整合進(jìn)一個(gè)組件的主要好處是減少了電路板面積。減少的零件數及相關(guān)布線(xiàn)縮小了電路板面積并降低了成本。從統計學(xué)角度看，減少了的零件數還增加了電路板的可靠性。

滿(mǎn)足復雜電源管理需求的能力：目前電路板上所用的電源供應數不斷在增加，此外，監測和控制功能的復雜性也在增加。因可編程電源管理組件整合了更多的電源監測輸入(與單功能IC相比)以及可編程數字邏輯單元，所以這些組件較適合執行復雜的電源管理功能。另外，可編程的方式具有靈活性，能夠快速適應以滿(mǎn)足不斷改變的規格要求。

不再需要第二貨源：一般來(lái)說(shuō)，第二貨源是為了避免因無(wú)法取得組件造成生產(chǎn)延誤而采取的防范措施。這個(gè)需求因為一個(gè)典型系統實(shí)際上需來(lái)自不同供貨商的多個(gè)小型單功能組件而被放大。藉由在所有電路板和項目中對單一可編程電源管理組件進(jìn)行標準化，能將耗時(shí)和第二貨源耗盡等問(wèn)題徹底排除或降低。

降低整體系統成本：可編程電源管理組件價(jià)格比個(gè)別單功能IC的總價(jià)來(lái)的便宜。除此之外，因采購數量增加能加大折扣，對系統內的多重電路板實(shí)施標準化電源管理能進(jìn)一步降低成本。

可用軟件執行電源管理功能：運用軟件在可編程電源管理組件中進(jìn)行設計。一般而言，利用在線(xiàn)仿真器，軟件設計工具還執行電源管理算法的驗證。由于電源管理設計在投板前就進(jìn)行了完全驗證，所以第一次就能設計成功的機會(huì )很高，進(jìn)一步加速了產(chǎn)品上市時(shí)間。

本文小結

目前電路板上使用的電源數正持續增加，甚至連電源管理算法也變得更加復雜。然而傳統過(guò)時(shí)的電源管理方案仍常常被拿來(lái)用于高性能的電源管理需求，因而使電路板設計變得低效、昂貴、還常常需要性能折衷。

本文針對一些復雜的電源管理問(wèn)題提出了一個(gè)設計方案：采用可編程、混合訊號電源管理組件。設計師可對’電源管理PLD’進(jìn)行標準化并在整個(gè)系統電路板上采用該組件，因而降低了成本、增加了可靠性并加快了產(chǎn)品上市時(shí)間。