電源管理的挑戰(zhàn)

由于電路板組件整合了越來越多的子系統(tǒng)，他們的電源分配和管理系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷上升。由于這些系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的固定功能、以硬件為中心的電源管理方案很快變得相當(dāng)笨拙。

 

另一種方法是用自上而下的、需求驅(qū)動(dòng)的辦法來解決PCB設(shè)計(jì)問題，取代試圖圍繞一個(gè)或多個(gè)固定功能的整合電路，來設(shè)計(jì)電路板的電源管理功能；設(shè)計(jì)人員用獨(dú)立的物理與邏輯功能來定義系統(tǒng)，根據(jù)這些功能來推動(dòng)PCB設(shè)計(jì)。

 

用這樣的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)需要更新設(shè)計(jì)理念，系統(tǒng)的控制邏輯與硬件轉(zhuǎn)移到韌體或是軟件，而優(yōu)點(diǎn)是減少了所需零組件的數(shù)量、降低系統(tǒng)的成本，在適應(yīng)無(wú)法預(yù)料的需求方面具有更大的靈活性。

 

本文介紹了這種系統(tǒng)導(dǎo)向方法的實(shí)例，將其應(yīng)用到CompactPCI (cPCI)板級(jí)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

圖一展示了一個(gè)支援熱插拔的cPCI板的電源管理系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)圖；當(dāng)這塊電路板插到背板時(shí)，熱插拔控制器必須完善地執(zhí)行以下的操作：

 

1）測(cè)試cPCI匯流排電源處于穩(wěn)定狀態(tài)，且用/BRD_SEL訊號(hào)使電路板就位。這些條件得到滿足時(shí)，控制器可以連接電路板的電源系統(tǒng)到匯流排電源。對(duì)于電路板吸取大電流的電源線路，電源管理可能還需要控制電壓上升率，以防止在系統(tǒng)中可能瞬態(tài)破壞其他電路板的運(yùn)作。

 

2）監(jiān)控cPCI匯流排的控制訊號(hào)，尤其是/PCI_RST。電源管理器必須使本地復(fù)位訊號(hào)/LOCAL_PCI_RST有效，在所有電路板級(jí)電壓穩(wěn)定之后，保持一定的時(shí)間，以確保電路板上的系統(tǒng)正確初始化。

 

3）監(jiān)控板上的電源電壓，電流和電路板上子系統(tǒng)的狀態(tài)訊號(hào)，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匯流排上的HEALTHY訊號(hào)有效。在出現(xiàn)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(yīng)。

 

圖一即使是一個(gè)簡(jiǎn)單的cPCI電源管理系統(tǒng)也有各種需求，專門功能的控制晶片可能不滿足這些要求。例如，1.8V和1.2V的POL轉(zhuǎn)換器的時(shí)序要求，將需要額外的控制電路。

 

相反，當(dāng)熱插拔控制器檢測(cè)到電路板正在從系統(tǒng)中拔出，在電源連接器斷開之前，必須確保電路板邊緣的電源已脫開。不這樣做的話，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(yùn)作的電路板。

 

在實(shí)際的熱插拔控制系統(tǒng)中，即便是一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，還有其他一些重要細(xì)節(jié)可能需要控制器進(jìn)行處理，例如如果未能妥善處理過流檢測(cè)的情況，可能影響系統(tǒng)中的其他電路板。

 

如果對(duì)于cPCI系統(tǒng)使用專用功能的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)約束的專門功能的熱插拔控制器內(nèi)工作，這也許是最簡(jiǎn)單的解決辦法。

 

CompactPCI的電路板電源管理不僅僅是熱插拔控制

隨著板級(jí)整合度的不斷提升，對(duì)電源管理的作用和復(fù)雜性的要求也越來越高。多個(gè)元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電路的單晶片可能需要專門的時(shí)序。透過使用DC-DC轉(zhuǎn)換器及負(fù)載點(diǎn)(POL)穩(wěn)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(dú)的監(jiān)測(cè)和控制功能。

 

設(shè)計(jì)用于不間斷和通訊應(yīng)用中的系統(tǒng)，帶來了額外的電源管理問題；例如，電路板上一個(gè)子系統(tǒng)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(tǒng)，而允許電路板上的其他子系統(tǒng)繼續(xù)工作。

 

實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的一種方式是開始用一個(gè)或多個(gè)「標(biāo)淮」的電源管理整合電路，支援所需的單個(gè)功能，然后再設(shè)計(jì)一個(gè)協(xié)調(diào)它們運(yùn)作的系統(tǒng)。根據(jù)協(xié)調(diào)的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)可能是簡(jiǎn)單的黏合邏輯，或復(fù)雜的微控制器和支援韌體（圖二）。

 

圖二電源管理系統(tǒng)可以透過組合標(biāo)淮的電源管理IC與頂層控制功能來實(shí)現(xiàn)。雖然簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)是可行的，當(dāng)人們?cè)噲D提供獨(dú)立控制器的各種功能和介面需求時(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(shè)計(jì)，但是可能由于未使用的功能和復(fù)制的功能，以及大的封裝而造成不必要的費(fèi)用。

 

此外，即使最終能夠與微控制器相協(xié)調(diào)，這種解決方案的硬連線的性質(zhì)會(huì)使人難以逐步修改設(shè)計(jì)來解決問題，或支援產(chǎn)品的遷移。

 

系統(tǒng)導(dǎo)向的方法

取代從一個(gè)或多個(gè)預(yù)先定義的控制器整合電路實(shí)現(xiàn)電源管理系統(tǒng)的方法，更有效的方法是首先考慮需要那些基本功能，以支援電源管理系統(tǒng)。這些功能可以分為支援硬件測(cè)量和控制的資源，支持時(shí)序和組合處理創(chuàng)建的邏輯運(yùn)算。表一列出了需要實(shí)現(xiàn)電源管理的、最常見的部分功能。

物理功能	邏輯功能
* 電壓監(jiān)測(cè) * 電流監(jiān)測(cè) * 具有電流限制和'軟啟動(dòng)' 的熱插拔控制 * 數(shù)位控制 * 監(jiān)控通信	* 線性時(shí)序 * 組合邏輯處理 * 條件分支 * 時(shí)間延時(shí) * 多個(gè)同時(shí)處理 * 特定條件的非規(guī)劃的'中斷'

表1 通用電源管理功能

 

分解電源管理系統(tǒng)的要求至上述功能可以更容易、簡(jiǎn)潔地定義設(shè)計(jì)。第一步是確定所需關(guān)鍵功能的類型和功能，如電壓和電流監(jiān)測(cè)點(diǎn)和數(shù)位I/O。下一步是確定對(duì)每個(gè)資源的具體要求。對(duì)于圖 1 假設(shè)的cPCI電源系統(tǒng)，需要以下的資源（表二）：

資源	數(shù)量	注釋
電源開關(guān)	4 (+12,-12,+5,+3.3)	+5V 和 +3.3V 的軟啟動(dòng)熱插拔控制
電壓監(jiān)控	8	在匯流排和電路板上監(jiān)控+12V, +5V和 +3.3V 監(jiān)控 1.8V 和 1.2V POL 的穩(wěn)壓器輸出
電流監(jiān)控	2	監(jiān)控+5V 和 +3.3V 上的電流
數(shù)字I/O	2	輸入 / 4 輸出 開漏輸出

表 2 用于cPCI電源管理的資源
 

下面的設(shè)計(jì)實(shí)例將使用萊迪思半導(dǎo)體公司的ispPAC Power Manager II系列，ispPACPOWER1220AT8。基于工業(yè)標(biāo)淮的基于巨集單元的CPLD架構(gòu)，這個(gè)元件針對(duì)電源管理應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，整合了專門的I/O，如可編程電壓監(jiān)視輸入和high-side MOSFET驅(qū)動(dòng)器輸出功能。

 

圖三展示了ispPAC-POWER1220AT8 (U1)的示意圖，它和相關(guān)元件配置為用作cPCI-4-的熱插拔控制器，以及次級(jí)電源監(jiān)控和時(shí)序控制器。

 

由于 Power Manager II 是可編程的，在分配功能至特定的 I/O 引腳方面有很大的靈活性。由于這個(gè)原因，出于明確起見，U1 的腳被賦予相應(yīng)的描述性的標(biāo)簽，在此特定應(yīng)用中對(duì)應(yīng)它們的編程功能。在其他應(yīng)用中，該元件的引腳可通過使用萊迪思的 PAC-Designer 設(shè)計(jì)軟件賦予不同的功能和相應(yīng)的名稱。

 

圖三萊迪思半導(dǎo)體公司的ispPAC-POWER1220AT8 支援cPCI電源管理系統(tǒng)所需的主要功能。對(duì)于電源開關(guān)，電流監(jiān)測(cè)和高電壓介面（+/- 12V）功能需要外部的主動(dòng)元件。

 

對(duì)于這個(gè)設(shè)計(jì)，需要一些外部的主動(dòng)元件，以支援電源開關(guān)，高電壓（+/- 12V）介面，或電流測(cè)量功能。 MOSFET M1－ M4 處理實(shí)際的負(fù)載開關(guān)。對(duì)于M1 和M2，Power Manager II的電荷泵MOSFET驅(qū)動(dòng)器輸出可以產(chǎn)生足夠的電壓對(duì)它們直接控制，通過MOSFET的閘極電壓的斜率控制，也可以提供軟啟動(dòng)功能。M3 和M4 用來切換+/-12V 電壓, 需要用外部的元元件來實(shí)施電平的轉(zhuǎn)換。

 

U1 的電壓監(jiān)控輸入可直接檢測(cè) 0 至 5.75V的電壓范圍，可用于直接監(jiān)測(cè)多個(gè)電源電壓。但是在+12V電源供電的情況下，需要有一個(gè)外部電阻分壓器，將 12V電壓降至一個(gè)合適的范圍。使用電阻分壓器轉(zhuǎn)換到 3.3V正電壓，也可以檢測(cè)-12V電源電壓。外部電流傳感電阻（RSENSE1，RSENSE2）和電流檢測(cè)放大器（U2，U3）能夠監(jiān)測(cè) 3.3V和 5V電源線上的電流。

 

除了 Power Manager II 的通用數(shù)位和類比 I/O，元件還提供一個(gè) I2C 數(shù)位介面，用獨(dú)立的監(jiān)控處理器可以進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。在 cPCI 板上實(shí)施高級(jí)監(jiān)測(cè)和診斷功能時(shí)，這個(gè)功能是很有用的。

 

cPCI 板的管理

除了硬件之外，cPCI 電源控制器也需要一些協(xié)調(diào)操作的邏輯處理。適當(dāng)處理的定義往往是比支援硬件的定義實(shí)施更為復(fù)雜的任務(wù)，特別表現(xiàn)在要求硬件和軟件密切配合實(shí)現(xiàn)功能。例如，圖 3 電路可以在 3.3V 和 5V 線上對(duì)浪涌電流進(jìn)行限制，而不需要硬件電流調(diào)節(jié)器。當(dāng)電路板插入背板時(shí)，控制器（U1）處于等待狀態(tài)，直到電源電壓趨于穩(wěn)定，以及/BD_SEL 信號(hào)變?yōu)閱?dòng)狀態(tài)。

 

使用 U1 的軟啟動(dòng) MOSFET 驅(qū)動(dòng)器，然后打開 MOSFET M1 和 M2。不斷監(jiān)測(cè)流經(jīng)M1 和 M2 的電流，如果電流增加超過可編程的閾值，關(guān)閉 M1 和 M2。然后電流開始迅速下降，當(dāng)它低于閾值時(shí)，MOSFET 再重新打開。這一過程不斷持續(xù)，直到 3.3V 和 5V 電壓達(dá)到正常的工作電壓和電流值。在硬件和邏輯功能之間分割浪涌電流限制功能的話，就可以使硬件更簡(jiǎn)單，更便宜。

 

規(guī)范板級(jí)電源管理

使用可編程元件作為電源系統(tǒng)控制器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以直接對(duì)控制邏輯和I/O的分配做出修改，在產(chǎn)品開發(fā)過程中提供很大的益處。而且，這種靈活性還為企業(yè)提供了好處。使用ispPAC-POWER1220AT8 這樣的可編程電源管理晶片使設(shè)計(jì)人員和設(shè)計(jì)部門建立一個(gè)或多個(gè)公用平臺(tái)，只需稍加修改就可以迅速地適用于各種項(xiàng)目。

 

總結(jié)

本文用具有輔助 POL 穩(wěn)壓器的 CompactPCI 熱插拔控制器為例，介紹了面向系統(tǒng)的方法來設(shè)計(jì)電源管理系統(tǒng)。用硬件和邏輯基元設(shè)計(jì)定義設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，使很多復(fù)雜的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)成用可編程邏輯實(shí)現(xiàn)。這種方法使得設(shè)計(jì)既降低了成本，還可以隨時(shí)在特定的 cPCI 板上進(jìn)行修改。