探索最优的电源管理架构

作者：Shyam Chandra，莱迪思半导体

我们无法做到完美，但追求完美能让人卓越。——文斯·隆巴迪

消费者对于新技术的渴望是不会停歇的。为了满足消费者的需求，工程师们不断将产品做得更小、更快、更便宜、更好。随着尺寸变得越来越轻薄，而复杂程度越来越高，我们常常会发现我们熟知的那些技术已然无法满足我们的需求。我们的设计必须与时俱进。

现在的电路板（CB）比以前复杂很多，正在把当前板级设计方案的功能推向极限。电源管理架构方面遇到的挑战正是这种趋势的写照。目前有几种常用的设计方案，但是每一种方案都要作出一定的妥协，并且随着设计变得越来复杂，这种妥协日趋让人难以忍受。

为了满足需求，我们开发了一种全新的电源管理架构，能够提供最佳的性能、安全性和灵活性，同时需要的开发工作和实现成本要少得多。不过在介绍该电源管理架构之前，作为本话题系列第一篇，让我们先聊一聊现有设计的长处和短板。

负载 vs. 硬件管理

一块现代化的电路板通常被分为两个功能块：负载管理和硬件管理。在大多数电路板中，80-90% 区域专门用于“负载”功能（数据/控制平面元器件和/或处理器）。剩下的10-20% 用于硬件层面的监控、控制或内务处理功能，包括温度和电源管理。

电源管理（PM）是硬件管理中至关重要的一部分，因为它负责每个电源在规定范围内按上电或断电时序运行。同时，还负责在出现故障和复位情况时的电源时序。温度管理部分则用于确保电路板上的IC在允许的温度范围内工作。其他硬件管理功能块的剩余部分负责实现各类内务处理功能，包括系统/子系统复位、JTAG链管理、I2C通讯、逻辑电平转换、接口桥接以及其他板级控制任务。

不过，大多数现有的硬件管理架构很难进行调整以适配越来越复杂的负载功能，要解决这些挑战需要付出很高的代价。目前，硬件管理部分占物料总成本的比重很不成比例。尽管这个部分仅占电路板的10-20%，它需要的设计/和调试时间却要占到整个开发周期的30-40% 。

电源管理元器件

大多数电源分布式网络采用层次式或阶梯式结构，使用三种不同的DC-DC转换器：
输入电源：将电路板的输入电源转换为供电路板上其他DC-DC转换器使用的主要电路板电压。

电路板通用电源：产生的电压供2个或2个以上的负载（ASIC、SOC、CPU等）使用。

器件电源：用于专门为独立的负载器件供电。

电路板级的电源管理器必须确保输入电源和用于为电路板负载元器件供电的DC-DC转换器的正常和安全工作。为了实现这个目标，电路板的电源管理部分应当能够执行以下四类关键的功能：

监控“Power is Good”状态——确保在电路板正常工作时所有的电源电压都在安全范围内。寻找过压和欠压故障。当侦测到故障时，启动应对措施，如发出“RESET”和“POWER_OK”信号或启动断电时序。

上电/断电时序管理——按照特定顺序开启或关闭DC-DC转换器，避免逻辑错误或是电路板损坏。

发送控制信号——为负载器件生成电源相关的控制信号（复位、电源正常等），确保负载器件能够在上电时序完成后开始工作，或是在驱动断电时序前终止运行。

遥测或电压和电流测量——某些电路板在正常工作期间需要对某些或所有的DC-DC转换器进行电压测量。

电源时序是基于时间或事件的。在基于时间时序的系统中，管理电路按照固定的顺序按需以预定义的延迟启动电源，避免IC产生逻辑错误或是对IC造成损坏。使用唯一的固定关断信号用于正常关断操作或是侦测到故障时断电。而基于事件的时序则不同，这类解决方案能够为不同故障提供针对性的反应。能够为不同等级的故障提供基于故障的断电时序。基于事件的时序能够帮助设计工程师满足当前的器件电源要求。在很多情况中，必须使用基于事件的时序以避免对大型SoC和FPGA造成损害。

因此，设计工程师经常使用的方案是要能够实现使用算法电源管理功能。一种常用的方案是使用PLD或控制PLD。该控制PLD可以是一片基于宏单元的PLD、CPLD或小型FPGA。