電源管理案例分析--基于CompactPCI電路板

電源管理的挑戰(zhàn)

　　由于電路板組件集成了越來越多的子系統(tǒng)，他們的電源分配和管理系統(tǒng)的復雜性不斷上升。由于這些系統(tǒng)變得越來越復雜，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笨拙。另一種方法是用自上而下的，需求驅(qū)動的辦法來解決設計問題。取代試圖圍繞一個或多個固定功能的集成電路來設計電路板的電源管理功能，設計人員用獨立的物理和邏輯功能來定義系統(tǒng)，根據(jù)這些功能來推動設計。用這樣的方法進行設計需要更新設計理念，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，在適應無法預料的需求方面具有更大的靈活性。

　　本文介紹了這個面向系統(tǒng)的方法的實例，將其應用到CompactPCI（cPCI）板級電源管理，其中包括熱插拔功能。

　　基本的CompactPCI電路板的電源管理

　　圖1展示了一個支持熱插拔的cPCI板的電源管理系統(tǒng)的頂層設計圖。當這塊電路板插到背板時，熱插拔控制器必須完善地執(zhí)行以下的操作：

　　1）測試cPCI總線電源處于穩(wěn)定狀態(tài)，且用/BRD_SEL信號使電路板就位。這些條件得到滿足時，控制器可以連接電路板的電源系統(tǒng)到總線電源。對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作。

　　2）監(jiān)控cPCI總線的控制信號，尤其是/PCI_RST。電源管理器必須使本地復位信號/LOCAL_PCI_RST有效，在所有電路板級電壓穩(wěn)定之后，保持一定的時間，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，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。

　　圖1即使是一個簡單的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)換器的時序要求將需要額外的控制電路。

　　相反，當熱插拔控制器檢測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。不這樣做話就會在背板的電源上產(chǎn)生電弧和瞬變，可能會干擾其他正在運作的電路板。

　　在實際的熱插拔控制系統(tǒng)中，即便是一個簡單的系統(tǒng)，還有其他一些重要細節(jié)可能需要控制器進行處理，例如如果未能妥善處理過流檢測的情況，可能影響系統(tǒng)中的其他電路板。如果對于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）上面所述的基本時序和診斷功能。如果電路板能夠在一個約束的專門功能的熱插拔控制器內(nèi)工作，這也許是最簡單的解決辦法?！?/p>

　　CompactPCI的電路板電源管理不僅僅是熱插拔控制

　　隨著板級集成度的不斷提升，對電源管理的作用和復雜性的要求也越來越高。多個器件可能需要遵循特殊的上電和斷電時序。甚至使用多個電壓支持核和I/O電路的單芯片可能需要專門的時序。通過使用DC-DC轉(zhuǎn)換器及負載點(POL)穩(wěn)壓器，往往是在本地電路板上提供多個電源，并可能需要單獨的監(jiān)測和控制功能?！?/p>

　　設計用于不間斷計算和通信應用中的系統(tǒng)帶來了額外的電源管理問題。例如，電路板上一個子系統(tǒng)中的一個元件失效時，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。
 
　　實現(xiàn)設計的一種方式是開始用一個或多個'標準'的電源管理集成電路，支持所需的單個功能，然后再設計一個協(xié)調(diào)它們運作的系統(tǒng)。根據(jù)協(xié)調(diào)的復雜性，實現(xiàn)可能是簡單的粘合邏輯，或復雜的微控制器和支持固件（圖2）。

　　圖2電源管理系統(tǒng)可以通過組合標準的電源管理集成電路與頂層控制功能來實現(xiàn)。雖然簡單設計是可行的，當人們試圖提供獨立控制器的各種功能和接口需求時，這種方法很快變得無法控制。

　　雖然這種ad-hoc方式可能會形成一個有用的設計，但是可能由于未使用的功能和復制的功能，以及大的封裝而造成不必要的費用。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)會使人難以逐步修改設計來解決問題，或支持產(chǎn)品的遷移。

　　面向系統(tǒng)的方法

　　取代從一個或多個預先定義的控制器集成電路實現(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量和控制的資源，支持時序和組合處理創(chuàng)建的邏輯運算。表1列出了需要實現(xiàn)電源管理的最常見的部分功能。

　　表1 通用電源管理功能

 [!--empirenews.page--]分解電源管理系統(tǒng)的要求至上述功能可以更容易、簡潔地定義設計。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)測點和數(shù)字I/O。下一步是確定對每個資源的具體要求。對于圖1假設的cPCI電源系統(tǒng)，需要以下的資源（表
　　

　下面的設計實例將使用萊迪思半導體公司的ispPAC Power Manager II系列，ispPAC-POWER1220AT8。基于工業(yè)標準的基于宏單元的CPLD架構(gòu)，這個器件針對電源管理應用進行了優(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，以及次級電源監(jiān)控和時序控制器?！?/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。由于這個原因，出于明確起見，U1的腳被賦予相應的描述性的標簽，在此特定應用中對應它們的編程功能。在其他應用中，該器件的引腳可通過使用萊迪思的PAC-Designer設計軟件賦予不同的功能和相應的名稱。

　　圖3萊迪思半導體公司的ispPAC-POWER1220AT8支持cPCI電源管理系統(tǒng)所需的主要功能。對于電源開關(guān)，電流監(jiān)測和高電壓接口（+/- 12V）功能需要外部的有源器件。

　　對于這個設計，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，或電流測量功能。 MOSFET　M1－ M4處理實際的負載開關(guān)。對于M1和M2，Power Manager II的電荷泵MOSFET驅(qū)動器輸出可以產(chǎn)生足夠的電壓對它們直接控制，通過MOSFET的柵極電壓的斜率控制，也可以提供軟啟動功能。M3 和M4用來切換+/-12V 電壓, 需要用外部的元器件來實施電平的轉(zhuǎn)換。 　

　　U1的電壓監(jiān)控輸入可直接檢測0至5.75V的電壓范圍，可用于直接監(jiān)測多個電源電壓。但是在+12V電源供電的情況下，需要有一個外部電阻分壓器，將12V電壓降至一個合適的范圍。使用電阻分壓器轉(zhuǎn)換到3.3V正電壓，也可以檢測-12V電源電壓。外部電流傳感電阻（RSENSE1，RSENSE2）和電流檢測放大器（U2，U3）能夠監(jiān)測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I2C數(shù)字接口，用獨立的監(jiān)控處理器可以進行控制和監(jiān)測。在cPCI板上實施高級監(jiān)測和診斷功能時，這個功能是很有用的。

　　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。適當處理的定義往往是比支持硬件的定義實施更為復雜的任務，特別表現(xiàn)在要求硬件和軟件密切配合實現(xiàn)功能。例如，圖3電路可以在3.3V和5V線上對浪涌電流進行限制，而不需要硬件電流調(diào)節(jié)器。當電路板插入背板時，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信號變?yōu)榧せ顮顟B(tài)。使用U1的軟啟動MOSFET驅(qū)動器，然后打開MOSFET M1和M2。不斷監(jiān)測流經(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，當它低于閾值時，MOSFET再重新打開。這一過程不斷持續(xù)，直到3.3V和5V電壓達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，就可以使硬件更簡單，更便宜?！?/p>

　　規(guī)范板級電源管理

　　使用可編程器件作為電源系統(tǒng)控制器的一個優(yōu)點是可以直接對控制邏輯和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芯片使設計人員和設計部門建立一個或多個公用平臺，只需稍加修改就可以迅速地適用于各種項目。

　　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)的方法來設計電源管理系統(tǒng)。用硬件和邏輯基元設計定義設計要求簡化了硬件設計，使很多復雜的設計轉(zhuǎn)成用可編程邏輯實現(xiàn)。這種方法使得設計既降低了成本，還可以隨時在特定的cPCI板上進行修改。　
 
　　可選邊欄：電源管理：微控制器對比ispPAC Power Manager

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

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

控制器的工作，通過任務切換必須'模擬'并行處理?；谕綘顟B(tài)機/組合邏輯模式， Power Manager II器件可以實現(xiàn)真正的并行處理。它能夠?qū)ν獠康氖录龀隹焖俚姆磻?，也可能導致在設計中概念上比多任務處理更加簡單。

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

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