來(lái)源:電源網(wǎng)
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(zhuǎn)換器;
- 電源的上電順序控制/跟蹤;
- 電壓監(jiān)測(cè);
- 所有上述選項(xiàng);
在本文中，電源管理被簡(jiǎn)單地定義為對(duì)在電路板上的所有電源的管理(包括DC-DC 轉(zhuǎn)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(shè)置)和調(diào)節(jié);
- 生成所有相關(guān)的電源狀態(tài)和控制邏輯信號(hào)，即復(fù)位信號(hào)生成、電源故障指示(監(jiān)視)和電壓測(cè)量;
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(fù)載。這對(duì)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(jiān)控(過(guò)壓和低壓)，以把正在迫近的電源故障通知處理器。這種功能也被稱為監(jiān)督功能。
復(fù)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(wěn)定之后，一些處理器需要復(fù)位信號(hào)在一段延長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)保持有效。這也被稱為復(fù)位脈沖展寬。復(fù)位發(fā)生器的功能是在電源出現(xiàn)故障期間保持處理器處于復(fù)位模式，以防止因疏忽大意造成板上閃存受到破壞。
傳統(tǒng)的電源管理解決方案的局限性
傳統(tǒng)上，電路板上的每一個(gè)電源管理功能都是利用單獨(dú)的單一功能IC 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些IC針對(duì)每一個(gè)電源電壓組合都具有單獨(dú)的元器件編號(hào)，因此，為了滿足多個(gè)電源管理的需求，來(lái)自不同供應(yīng)商的各種單一功能IC 就有幾百個(gè)元器件編號(hào)。
例如，為了選擇復(fù)位發(fā)生器IC 的元器件編號(hào)，必須提供下列信息：
- 復(fù)位發(fā)生器IC 將要監(jiān)測(cè)的電源電壓的數(shù)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(cè)電壓(3.3V-5%, 3.3V-10%等等);
- 精度(3%, 2%, 1.5%);
- 利用外加電容對(duì)復(fù)位脈沖進(jìn)行編程展寬的能力;
- 手動(dòng)復(fù)位輸入;
為了解決這些變量的所有可能變化，僅僅一個(gè)復(fù)位發(fā)生器IC 就需要幾百個(gè)器件編號(hào)，何況那僅僅是來(lái)自幾家供應(yīng)商當(dāng)中的一家。如果在設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中-照現(xiàn)在的樣子很可能-工程師需要添加另外一個(gè)被監(jiān)測(cè)電壓，那么，就不得不選擇增加一個(gè)不同的器件編號(hào)。類(lèi)似地，針對(duì)各種單一功能IC-熱插拔、電源上電順序控制器和電壓監(jiān)控器/檢測(cè)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(hào)。具有多塊電路板的系統(tǒng)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(fù)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，那個(gè)時(shí)代一去不復(fù)返了。目前，大多數(shù)電路板通常采用若干多電壓器件，每一個(gè)都滿足電源上電順序控制的要求。隨著工作電流的增加，較小幾何尺寸的三極管需要較低的電源電壓。設(shè)計(jì)工程師常常被要求經(jīng)由多電壓IC 使用一個(gè)負(fù)載電源點(diǎn)，因此，電路板中所使用的電源的數(shù)量與日俱增。隨著電源軌的增加，并伴隨著對(duì)多個(gè)上電順序控制的要求，電源管理變得越來(lái)越復(fù)雜。
隨著電路板越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)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(tǒng)的單一功能IC來(lái)實(shí)現(xiàn)電源管理功能的設(shè)計(jì)工程師，要么不得不犧牲電源的一些監(jiān)測(cè)功能，要么得針對(duì)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(shù)量增長(zhǎng)以及它們的相關(guān)互連，不僅僅增加了電路板的面積，從統(tǒng)計(jì)的角度看，而且降低了電路板的可靠性。例如，裝配出現(xiàn)差錯(cuò)的可能性有增加的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)(并且總是令人不愉快的)的結(jié)果。
備用貨源和折衷設(shè)計(jì)
如果從不同的供應(yīng)商選擇各種單一功能器件，當(dāng)恰好一個(gè)元器件斷貨時(shí)，生產(chǎn)被延遲的風(fēng)險(xiǎn)就越來(lái)越大，因此，這就導(dǎo)致要建立備用貨源。然而，備用貨源反過(guò)來(lái)讓設(shè)計(jì)工程師手上可用的元器件減少了，從而迫使設(shè)計(jì)工程師就電路板上的故障覆蓋進(jìn)行折衷。
提高系統(tǒng)的成本
安裝和測(cè)試的成本隨著系統(tǒng)中所采用的元器件的數(shù)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(shù)量。因?yàn)樵诮o定的系統(tǒng)中存在許多需要的元器件，要用較少數(shù)量的每一類(lèi)型元器件來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)，(否則的話)就會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的成本。
例如，假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)具有十塊電路板，每年的制造運(yùn)行率為1000個(gè)系統(tǒng)。如果這十塊板中的每一塊都采用單一功能IC來(lái)實(shí)現(xiàn)，那么，要完成設(shè)計(jì)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(yùn)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(dāng)然高于10,00片的價(jià)格，從而導(dǎo)致電源管理系統(tǒng)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(jì)80年代的時(shí)候，那時(shí)數(shù)字設(shè)計(jì)工程師就采用TTL門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯功能，傳統(tǒng)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(xiàn)的。隨著電路板復(fù)雜度的增加，設(shè)計(jì)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(shù)量。毫不奇怪，那時(shí)候用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的TTL器件快速增加。
可編程邏輯器件(PLD)的出現(xiàn)使工程師能夠在電路板的給定單位面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能，與此同時(shí)，縮短上市時(shí)間。在系統(tǒng)中所采用的元器件的數(shù)量被減少了，從而導(dǎo)致整體系統(tǒng)的成本進(jìn)一步降低。同樣的PLD器件可以被用于多個(gè)設(shè)計(jì)，從而減少了系統(tǒng)中所采用的器件的數(shù)量。各個(gè)公司在若干PLD器件上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，因而不必針對(duì)每一個(gè)電路板折衷所需要的功能。
管理較少的PLD器件遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shè)計(jì)，從而減少或甚至取消了對(duì)備用貨源的需求。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，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(duì)TTL門(mén)的應(yīng)用。當(dāng)今復(fù)雜電路板的設(shè)計(jì)需要"電源管理PLD"。的確，在電路板設(shè)計(jì)中采用這樣的器件已經(jīng)到了勢(shì)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(xiàn)的電路板電源管理功能。可編程電源管理器件需要可編程模擬和數(shù)字部分以便于集成多個(gè)傳統(tǒng)的單功能電源管理器件。設(shè)計(jì)工程師可以配置可編程模擬部分以監(jiān)測(cè)各個(gè)電源電壓的組合，而不必采用特殊配置的、工廠編程的單功能器件。
要用電源管理器件的可編程數(shù)字部分來(lái)定義特定電路板的邏輯，其中，結(jié)合了從可編程電源監(jiān)測(cè)部分獲得的結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)諸如復(fù)位生成、電源故障中斷生成及獨(dú)立電源的上電順序控制之類(lèi)的功能?？删幊痰?、基于軟件的設(shè)計(jì)方法使電源管理器件能夠提供依賴于電源管理功能的種類(lèi)繁多的電路板。
采用一種可編程電源管理器件
可編程電源管理解決方案的一個(gè)例子是Lattice半導(dǎo)體公司的Power Manager II器件。PowerManager II集成了若干可編程數(shù)字和模擬部分，使集成多個(gè)單一功能的電源管理器件成為可能。
該器件利用20個(gè)片上可編程門(mén)限精密比較器來(lái)監(jiān)測(cè)多達(dá)10個(gè)電源的過(guò)壓和低壓情況。典型的監(jiān)測(cè)精度是0.3%。數(shù)字監(jiān)測(cè)輸入可以被用于與數(shù)字信號(hào)的接口，如手動(dòng)復(fù)位輸入、電源和關(guān)機(jī)等等。
該器件有四個(gè)定時(shí)器，每一個(gè)都可122個(gè)步長(zhǎng)從32μs編程到2秒。這些定時(shí)器可以被用于控制上電順序的延遲、復(fù)位脈沖的展寬和看門(mén)狗定時(shí)器。
片上的24個(gè)宏單元CPLD可以驅(qū)動(dòng)12個(gè)開(kāi)漏輸出，使DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠控制上電順序、生成一個(gè)CPU的復(fù)位信號(hào)并驅(qū)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)熱插拔功能的P溝道MOSFET。
有兩個(gè)高壓MOSFET驅(qū)動(dòng)器(**高12V)，它們使電源通過(guò)N溝道MOSFET供電，或?qū)崿F(xiàn)軟啟動(dòng)功能，或在負(fù)電源軌實(shí)現(xiàn)熱插拔功能。
任何微處理器，通過(guò)I2C接口可以利用片上的10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)測(cè)量任何電源電壓。I2C接口也可被用于監(jiān)測(cè)電源比較器、輸入和輸出的狀態(tài)。
可編程性使電源管理的標(biāo)準(zhǔn)化成為可能
通過(guò)簡(jiǎn)單地配置可編程器件，設(shè)計(jì)工程師能夠在單一可編程電源管理器件中實(shí)現(xiàn)所有的板級(jí)電源管理功能。同一顆可編程器件可以被用于多塊電路板，而不是采用獨(dú)特的(多顆)單一功能IC。因此，設(shè)計(jì)工程師可以跨越整個(gè)設(shè)計(jì)在一個(gè)可編程電源管理器件上實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。
標(biāo)準(zhǔn)化電源管理功能的優(yōu)勢(shì)
把電源管理功能集成到單一可編程電源管理器件之中并把同一個(gè)器件應(yīng)用到多個(gè)電路板上，就提供了下列這些優(yōu)勢(shì)：
- 縮小電路板面積，提高可靠性
把多個(gè)單一功能的IC 集成到一個(gè)器件中的主要有利條件之一是縮小了電路板的面積。減少元器件的數(shù)量和相關(guān)的布線，就可以縮小電路板的面積及相關(guān)的成本。從統(tǒng)計(jì)角度看，減少元器件的數(shù)量也就提高了電路板的可靠性。
- 具備滿足復(fù)雜電源管理要求的能力
當(dāng)今電路板上所使用的電源數(shù)量與日俱增，此外，監(jiān)測(cè)和控制功能的復(fù)雜性也正在增加。因?yàn)榭删幊屉娫垂芾砥骷闪烁嗟碾娫幢O(jiān)測(cè)輸入(跟單一功能的IC 相比)以及可編程數(shù)字邏輯部分，這些器件更適合于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電源管理功能。除此以外，可編程性提供了快速適應(yīng)不斷變化的規(guī)格所需要的靈活性。
- 不需要備用貨源
為了防止因一種器件無(wú)法供貨而造成停工待料，典型情況下，備用貨源一直是要求必備的條件，但是，典型的系統(tǒng)將需要來(lái)自多個(gè)供應(yīng)商的多個(gè)小(批量)的單一功能器件，因此，這種要求被這一事實(shí)放大了。通過(guò)把所有電路板和項(xiàng)目(所采用的電源管理方案)在一個(gè)可編程電源管理器件上實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，就可以極大地減少耗費(fèi)時(shí)間和占用資源的備用貨源，或者連備用貨源都取消掉。
- 降低整個(gè)系統(tǒng)的成本
可編程電源管理器件的特色在于成本比多個(gè)單一功能IC 的成本總和要低。此外，對(duì)系統(tǒng)中多個(gè)電路板的電源管理進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化可以進(jìn)一步降低成本，因?yàn)榕抠?gòu)買(mǎi)的折扣被增加了。
- 電源管理功能可以在軟件中實(shí)現(xiàn)
設(shè)計(jì)是利用軟件在可編程電源管理器件中實(shí)現(xiàn)的。典型情況下，軟件設(shè)計(jì)工具也能夠利用板上仿真器對(duì)電源管理算法進(jìn)行驗(yàn)證。在把它們提交給電路板之前，要完全驗(yàn)證電源管理設(shè)計(jì)，第*一時(shí)間取得成功的可能性就會(huì)很高，從而進(jìn)一步縮短上市時(shí)間。
本文小結(jié)
現(xiàn)代電路板設(shè)計(jì)勢(shì)在必行的是標(biāo)準(zhǔn)化的可編程電源管理。
用于當(dāng)今電路板的電源的數(shù)量持續(xù)增加，正如電源管理算法不斷變得更為復(fù)雜一樣。然而，過(guò)時(shí)的傳統(tǒng)電源管理解決方案常常被應(yīng)用以滿足"增強(qiáng)"的電源管理的要求，從而導(dǎo)致電路板設(shè)計(jì)的效率低下、成本昂貴且通常要作出各種折衷。
本文提出了一種針對(duì)這種復(fù)雜的電源管理問(wèn)題的設(shè)計(jì)解決方案：利用可編程混合信號(hào)電源管理器件。利用適用于系統(tǒng)中所有電路板的器件，設(shè)計(jì)工程師可以在這種"電源管理PLD"上實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，從而降低成本、提高可靠性并加快上市時(shí)間。
