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；

圖1 描述了利用CPU 或微處理器在電路板上實(shí)現(xiàn)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(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/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)，何況那僅僅是來自幾家供應(yīng)商當(dāng)中的一家。如果在設(shè)計(jì)的過程當(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，電源管理變得越來越復(fù)雜。

隨著電路板越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的電源管理解決方案變得越來越不實(shí)用。目前，采用傳統(tǒng)的單一功能IC來實(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)就越來越大，因此，這就導(dǎo)致要建立備用貨源。然而，備用貨源反過來讓設(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)量的每一類型元器件來構(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門來實(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就類似于過去人們對(duì)TTL門的應(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?？删幊屉娫垂芾砥骷枰删幊棠M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。

圖2：可編程電源管理器件取代了多個(gè)單功能IC

要用電源管理器件的可編程數(shù)字部分來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的功能。可編程的、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。Power
Manager 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。圖2所示為Power Manager II器件的方框圖。

圖3：Power Manager II器件的方框圖

圖3 中描繪的器件是作為Power Manager II家族成員之一的Power1014A。這個(gè)特殊的器件具有14個(gè)輸出，能夠檢測(cè)10個(gè)電源軌，它實(shí)現(xiàn)了所有的電源管理功能。

該器件利用20個(gè)片上可編程門限精密比較器來監(jiān)測(cè)多達(dá)10個(gè)電源的過壓和低壓情況。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)都可以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(最高12V)，它們使電源通過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I2C接口可以利用片上的10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器來測(cè)量任何電源電壓。I2C接口也可以被用于監(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。

關(guān)于作者

Srirama (Shyam) Chandra 是Lattice 半導(dǎo)體公司負(fù)責(zé)ISP 混合信號(hào)產(chǎn)品的產(chǎn)品市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理，加入Lattice 以前，Chandra 在Vantis 和AMD 從事銷售和應(yīng)用工作，此前曾任Indian Telephone Industries 的電信設(shè)計(jì)工程師。Chandra 在印度Madras 的Indian Institute of Technology 獲得碩士學(xué)位，你可以通過電子郵件shyam.chandra@latticesemi.com 與Chandra 聯(lián)系。