標準化可編程電源管理——勢在必行的現代電路板設計

什么是電路板電源管理？

電路板電源管理常常涉及給電路板供電的各個(gè)不同方面，一些常見(jiàn)的相關(guān)功能包括：

- 為電路板供電選擇不同的DC-DC 轉換器；

- 電源的上電順序控制/跟蹤；

- 電壓監測；

- 所有上述選項；

在本文中，電源管理被簡(jiǎn)單地定義為對在電路板上的所有電源的管理(包括DC-DC 轉換器、LDO 等等)。電源管理包括下列功能：

- 管理電路板的DC-DC 控制器，即熱插拔、軟啟動(dòng)、上電順序控制、跟蹤、極限(設置)和調節；

- 生成所有相關(guān)的電源狀態(tài)和控制邏輯信號，即復位信號生成、電源故障指示(監視)和電壓測量；

圖1 描述了利用CPU 或微處理器在電路板上實(shí)現的典型電源管理功能。

圖1：在電路板上的典型電源管理功能。

熱插拔/軟啟動(dòng)控制功能-被用于限制涌入的電流，以減輕突然施加在電源上的負載。這對要插入工作中背板的電路板是一個(gè)重要的功能。

電源上電順序控制和跟蹤功能-控制多個(gè)電源的打開(kāi)/關(guān)閉，與此同時(shí)，滿(mǎn)足電路板上所有器件的上電順序控制的要求。

所有電源電壓的故障都受到監控(過(guò)壓和低壓)，以把正在迫近的電源故障通知處理器。這種功能也被稱(chēng)為監督功能。

復位生成功能為上電的處理器提供一種可靠的啟動(dòng)。在所有施加在處理器上的電源穩定之后，一些處理器需要復位信號在一段延長(cháng)的時(shí)間段內保持有效。這也被稱(chēng)為復位脈沖展寬。復位發(fā)生器的功能是在電源出現故障期間保持處理器處于復位模式，以防止因疏忽大意造成板上閃存受到破壞。

傳統的電源管理解決方案的局限性

傳統上，電路板上的每一個(gè)電源管理功能都是利用單獨的單一功能IC 來(lái)實(shí)現的。這些IC針對每一個(gè)電源電壓組合都具有單獨的元器件編號，因此，為了滿(mǎn)足多個(gè)電源管理的需求，來(lái)自不同供應商的各種單一功能IC 就有幾百個(gè)元器件編號。

例如，為了選擇復位發(fā)生器IC 的元器件編號，必須提供下列信息：

- 復位發(fā)生器IC 將要監測的電源電壓的數量；

- 各種電源電壓的組合(3.3V,2.5V,1.2V 或3.3V,2.5V, 1.8V 等等)；

- 故障檢測電壓(3.3V-5%, 3.3V-10%等等)；

- 精度(3%, 2%, 1.5%)；

- 利用外加電容對復位脈沖進(jìn)行編程展寬的能力；

- 手動(dòng)復位輸入；

為了解決這些變量的所有可能變化，僅僅一個(gè)復位發(fā)生器IC 就需要幾百個(gè)器件編號，何況那僅僅是來(lái)自幾家供應商當中的一家。如果在設計的過(guò)程當中-照現在的樣子很可能-工程師需要添加另外一個(gè)被監測電壓，那么，就不得不選擇增加一個(gè)不同的器件編號。類(lèi)似地，針對各種單一功能IC-熱插拔、電源上電順序控制器和電壓監控器/檢測器-的每一個(gè)變化，各個(gè)單一功能IC 都具有許多器件編號。具有多塊電路板的系統中的每一塊電路板都將需要這些單一功能IC 的不同集合，從而增加了物料單(BOM)的成本。

增加電路板的復雜度

如果單一功能電源管理IC 的使用曾經(jīng)是可管理的話(huà)，那個(gè)時(shí)代一去不復返了。目前，大多數電路板通常采用若干多電壓器件，每一個(gè)都滿(mǎn)足電源上電順序控制的要求。隨著(zhù)工作電流的增加，較小幾何尺寸的三極管需要較低的電源電壓。設計工程師常常被要求經(jīng)由多電壓IC 使用一個(gè)負載電源點(diǎn)，因此，電路板中所使用的電源的數量與日俱增。隨著(zhù)電源軌的增加，并伴隨著(zhù)對多個(gè)上電順序控制的要求，電源管理變得越來(lái)越復雜。

隨著(zhù)電路板越來(lái)越復雜，傳統的電源管理解決方案變得越來(lái)越不實(shí)用。目前，采用傳統的單一功能IC來(lái)實(shí)現電源管理功能的設計工程師，要么不得不犧牲電源的一些監測功能，要么得針對每一個(gè)電源管理功能采用多個(gè)單一功能的器件。這兩種可供選擇的方案都是不可接受
的。

增加電路板面積并降低可靠性

單一功能IC 的數量增長(cháng)以及它們的相關(guān)互連，不僅僅增加了電路板的面積，從統計的角度看，而且降低了電路板的可靠性。例如，裝配出現差錯的可能性有增加的趨勢，從而導致不可預測(并且總是令人不愉快的)的結果。

備用貨源和折衷設計

如果從不同的供應商選擇各種單一功能器件，當恰好一個(gè)元器件斷貨時(shí)，生產(chǎn)被延遲的風(fēng)險就越來(lái)越大，因此，這就導致要建立備用貨源。然而，備用貨源反過(guò)來(lái)讓設計工程師手上可用的元器件減少了，從而迫使設計工程師就電路板上的故障覆蓋進(jìn)行折衷。

提高系統的成本

安裝和測試的成本隨著(zhù)系統中所采用的元器件的數量呈正比而增加。元器件的成本反比例于所獲得的單元的數量。因為在給定的系統中存在許多需要的元器件，要用較少數量的每一類(lèi)型元器件來(lái)構建系統，(否則的話(huà))就會(huì )增加整個(gè)系統的成本。

例如，假設一個(gè)系統具有十塊電路板，每年的制造運行率為1000個(gè)系統。如果這十塊板中的每一塊都采用單一功能IC來(lái)實(shí)現，那么，要完成設計可能將需要十種不同的單一功能IC。這些單一功能IC 的年運行率為每年1000。與所有電路板都采用一種多功能電源管理IC的解決方案相比，10,000片IC的價(jià)格將當然高于10,00片的價(jià)格，從而導致電源管理系統成本的增加。

TTL與PLD的類(lèi)比：似乎像往日時(shí)光

回憶往事，上世紀80年代的時(shí)候，那時(shí)數字設計工程師就采用TTL門(mén)來(lái)實(shí)現邏輯功能，傳統的電源管理解決方案是采用多個(gè)單一功能的IC器件來(lái)實(shí)現的。隨著(zhù)電路板復雜度的增加，設計工程師被迫選擇固定功能的ASIC或增加電路板上所采用的TTL器件的數量。毫不奇怪，那時(shí)候用來(lái)進(jìn)行系統設計的TTL器件快速增加。

可編程邏輯器件(PLD)的出現使工程師能夠在電路板的給定單位面積內實(shí)現更多的功能，與此同時(shí)，縮短上市時(shí)間。在系統中所采用的元器件的數量被減少了，從而導致整體系統的成本進(jìn)一步降低。同樣的PLD器件可以被用于多個(gè)設計，從而減少了系統中所采用的器件的數量。各個(gè)公司在若干PLD器件上進(jìn)行標準化，因而不必針對每一個(gè)電路板折衷所需要的功能。

管理較少的PLD器件遠遠比管理大量的TTL門(mén)要容易。同樣的PLD器件可以被用于多個(gè)電路板設計，從而減少或甚至取消了對備用貨源的需求。設計工程師可以在把PLD安裝到電路板上之前，在軟件中做仿真設計，從而提高了第一時(shí)間取得成功的可能性。

目前，利用單一功能電源管理IC就類(lèi)似于過(guò)去人們對TTL門(mén)的應用。當今復雜電路板的設計需要"電源管理PLD"。的確，在電路板設計中采用這樣的器件已經(jīng)到了勢在必行的地步。

可編程電源管理解決方案

圖2所示為利用單一可編程電源管理器件實(shí)現的電路板電源管理功能?？删幊屉娫垂芾砥骷枰删幊棠M和數字部分以便于集成多個(gè)傳統的單功能電源管理器件。設計工程師可以配置可編程模擬部分以監測各個(gè)電源電壓的組合，而不必采用特殊配置的、工廠(chǎng)編程的單功能器件。

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