CompactPCI電路板的電源管理案例研究

電源管理的挑戰(zhàn)

　　由于電路板組件集成了越來(lái)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(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的固定功能的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(lái)解決設(shè)計(jì)問(wèn)題。取代試圖圍繞一個(gè)或多個(gè)固定功能的集成電路來(lái)設(shè)計(jì)電路板的電源管理功能，設(shè)計(jì)人員用獨(dú)立的物理和邏輯功能來(lái)定義系統(tǒng)，根據(jù)這些功能來(lái)推動(dòng)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)的控制邏輯從硬件轉(zhuǎn)移到固件或軟件。而且，這些優(yōu)點(diǎn)是減少了所需元器件的數(shù)量、降低了系統(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。

　　本文介紹了這個(gè)面向系統(tǒng)的方法的實(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1展示了一個(gè)支持熱插拔的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總線電源處于穩(wěn)定狀態(tài)，且用/BRD_SEL信號(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)到總線電源。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總線的控制信號(hào)，尤其是/PCI_RST。電源管理器必須使本地復(fù)位信號(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)信號(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總線上的HEALTHY信號(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1即使是一個(gè)簡(jiǎn)單的cPCI電源管理系統(tǒng)也有各種需求，專門功能的控制芯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(guò)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?！?/p>

　　CompactPCI的電路板電源管理不僅僅是熱插拔控制

　　隨著板級(jí)集成度的不斷提升，對(duì)電源管理的作用和復(fù)雜性的要求也越來(lái)越高。多個(gè)器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電路的單芯片可能需要專門的時(shí)序。通過(guò)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?！?/p>

　　設(shè)計(jì)用于不間斷計(jì)算和通信應(yīng)用中的系統(tǒng)帶來(lái)了額外的電源管理問(wèn)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它子系統(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)準(zhǔn)'的電源管理集成電路，支持所需的單個(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)單的粘合邏輯，或復(fù)雜的微控制器和支持固件（圖2）。

　　圖2電源管理系統(tǒng)可以通過(guò)組合標(biāo)準(zhǔn)的電源管理集成電路與頂層控制功能來(lái)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接口需求時(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(lái)解決問(wèn)題，或支持產(chǎn)品的遷移。

　　面向系統(tǒng)的方法

　　取代從一個(gè)或多個(gè)預(yù)先定義的控制器集成電路實(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，以支持電源管理系統(tǒng)。這些功能可以分為支持硬件測(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1列出了需要實(shí)現(xiàn)電源管理的最常見的部分功能。

　　表1 通用電源管理功能

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　　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)字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
　　

　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，ispPAC-POWER1220AT8?；诠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基于宏單元的CPLD架構(gòu)，這個(gè)器件針對(duì)電源管理應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，集成了專門的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3展示了ispPAC-POWER1220AT8 (U1)的示意圖，它和相關(guān)器件配置為用作cPCI的熱插拔控制器，以及次級(jí)電源監(jiān)控和時(shí)序控制器?！?/p>

　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，該器件的引腳可通過(guò)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3萊迪思半導(dǎo)體公司的ispPAC-POWER1220AT8支持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)和高電壓接口（+/- 12V）功能需要外部的有源器件。

　　對(duì)于這個(gè)設(shè)計(jì)，需要一些外部的有源器件，以支持電源開關(guān)，高電壓（+/- 12V）接口，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(guò)MOSFET的柵極電壓的斜率控制，也可以提供軟啟動(dòng)功能。M3 和M4用來(lái)切換+/-12V 電壓, 需要用外部的元器件來(lái)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)字和模擬I/O，器件還提供一個(gè)I2C數(shù)字接口，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持硬件的定義實(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)榧せ顮顟B(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(guò)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(guò)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

　　使用可編程器件作為電源系統(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(guò)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芯片使設(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(lái)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?！?br /> 
　　可選邊欄：電源管理：微控制器對(duì)比ispPAC Power Manager

　　微控制器和基于CPLD的器件，如Lattice的Power Manager II器件顯然是滿足復(fù)雜電源管理需求的候選器件，盡管每個(gè)都代表了完全不同的基本設(shè)計(jì)理念。這兩種類型的器件具有各自的優(yōu)勢(shì)，在特定的應(yīng)用中，根據(jù)需求進(jìn)行更適合的選擇。

　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：微控制器通常會(huì)依賴有前端多路復(fù)用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以監(jiān)控若干個(gè)電壓輸入，而Power Manager II對(duì)每個(gè)輸入都設(shè)置了單獨(dú)的閾值或窗口比較器。微控制器有著檢測(cè)電源故障（毫秒）非常緩慢的缺點(diǎn)，而Power Manager II具有真正的同步監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，大大加快了對(duì)電源故障的檢測(cè)（微秒）?！?/p>

控制器的工作，通過(guò)任務(wù)切換必須'模擬'并行處理?；谕綘顟B(tài)機(jī)/組合邏輯模式， Power Manager II器件可以實(shí)現(xiàn)真正的并行處理。它能夠?qū)ν獠康氖录龀隹焖俚姆磻?yīng)，也可能導(dǎo)致在設(shè)計(jì)中概念上比多任務(wù)處理更加簡(jiǎn)單。

　　錯(cuò)誤恢復(fù)：在基于微控制器的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，看門狗定時(shí)器是一個(gè)關(guān)鍵的器件，如果代碼執(zhí)行過(guò)程中出錯(cuò)，它能夠有效地重啟控制器。但這取決于不同的看門狗定時(shí)器的周期，在錯(cuò)誤得到糾正之前，代碼可能已執(zhí)行了數(shù)百毫秒。相反，當(dāng)使用Power Manager II的基于同步狀態(tài)機(jī)的模式，合適的定義未使用的狀態(tài)，將在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)糾正錯(cuò)誤狀態(tài)。此外，正在執(zhí)行的組合邏輯功能完全不可能跑飛。

　　在實(shí)際設(shè)計(jì)中，Power Manager II和微控制器可以成為互補(bǔ)的功能。Power Manager II最適合處理時(shí)間受限的功能，如電壓和電流監(jiān)測(cè)，熱插拔和復(fù)位控制。在同一系統(tǒng)中，微控制器最好用來(lái)管理需復(fù)雜的算法和板外通信的任務(wù)，諸如背板故障診斷和監(jiān)測(cè)。