标准化可编程电源管理——势在必行的现代电路板设计

什么是电路板电源管理？

    电路板电源管理常常涉及给电路板供电的各个不同方面，一些常见的相关功能包括：

    - 为电路板供电选择不同的DC-DC 转换器；

    - 电源的上电顺序控制/跟踪；

    - 电压监测；

    - 所有上述选项；

    在本文中，电源管理被简单地定义为对在电路板上的所有电源的管理(包括DC-DC 转换器、LDO 等等)。电源管理包括下列功能：

    - 管理电路板的DC-DC 控制器，即热插拔、软启动、上电顺序控制、跟踪、极限(设置)和调节；

    - 生成所有相关的电源状态和控制逻辑信号，即复位信号生成、电源故障指示(监视)和电压测量；

    图1 描述了利用CPU 或微处理器在电路板上实现的典型电源管理功能。

图1：在电路板上的典型电源管理功能。

    热插拔/软启动控制功能-被用于限制涌入的电流，以减轻突然施加在电源上的负载。这对要插入工作中背板的电路板是一个重要的功能。

    电源上电顺序控制和跟踪功能-控制多个电源的打开/关闭，与此同时，满足电路板上所有器件的上电顺序控制的要求。

    所有电源电压的故障都受到监控(过压和低压)，以把正在迫近的电源故障通知处理器。这种功能也被称为监督功能。

    复位生成功能为上电的处理器提供一种可靠的启动。在所有施加在处理器上的电源稳定之后，一些处理器需要复位信号在一段延长的时间段内保持有效。这也被称为复位脉冲展宽。复位发生器的功能是在电源出现故障期间保持处理器处于复位模式，以防止因疏忽大意造成板上闪存受到破坏。

传统的电源管理解决方案的局限性

    传统上，电路板上的每一个电源管理功能都是利用单独的单一功能IC 来实现的。这些IC针对每一个电源电压组合都具有单独的元器件编号，因此，为了满足多个电源管理的需求，来自不同供应商的各种单一功能IC 就有几百个元器件编号。

    例如，为了选择复位发生器IC 的元器件编号，必须提供下列信息：

    - 复位发生器IC 将要监测的电源电压的数量；

    - 各种电源电压的组合(3.3V,2.5V,1.2V 或3.3V,2.5V, 1.8V 等等)；

    - 故障检测电压(3.3V-5%, 3.3V-10%等等)；

    - 精度(3%, 2%, 1.5%)；

    - 利用外加电容对复位脉冲进行编程展宽的能力；

    - 手动复位输入；

    为了解决这些变量的所有可能变化，仅仅一个复位发生器IC 就需要几百个器件编号，何况那仅仅是来自几家供应商当中的一家。如果在设计的过程当中-照现在的样子很可能-工程师需要添加另外一个被监测电压，那么，就不得不选择增加一个不同的器件编号。类似地，针对各种单一功能IC-热插拔、电源上电顺序控制器和电压监控器/检测器-的每一个变化，各个单一功能IC 都具有许多器件编号。具有多块电路板的系统中的每一块电路板都将需要这些单一功能IC 的不同集合，从而增加了物料单(BOM)的成本。

增加电路板的复杂度

    如果单一功能电源管理IC 的使用曾经是可管理的话，那个时代一去不复返了。目前，大多数电路板通常采用若干多电压器件，每一个都满足电源上电顺序控制的要求。随着工作电流的增加，较小几何尺寸的三极管需要较低的电源电压。设计工程师常常被要求经由多电压IC 使用一个负载电源点，因此，电路板中所使用的电源的数量与日俱增。随着电源轨的增加，并伴随着对多个上电顺序控制的要求，电源管理变得越来越复杂。

    随着电路板越来越复杂，传统的电源管理解决方案变得越来越不实用。目前，采用传统的单一功能IC来实现电源管理功能的设计工程师，要么不得不牺牲电源的一些监测功能，要么得针对每一个电源管理功能采用多个单一功能的器件。这两种可供选择的方案都是不可接受
的。

增加电路板面积并降低可靠性

    单一功能IC 的数量增长以及它们的相关互连，不仅仅增加了电路板的面积，从统计的角度看，而且降低了电路板的可靠性。例如，装配出现差错的可能性有增加的趋势，从而导致不可预测(并且总是令人不愉快的)的结果。

备用货源和折衷设计

    如果从不同的供应商选择各种单一功能器件，当恰好一个元器件断货时，生产被延迟的风险就越来越大，因此，这就导致要建立备用货源。然而，备用货源反过来让设计工程师手上可用的元器件减少了，从而迫使设计工程师就电路板上的故障覆盖进行折衷。

提高系统的成本

    安装和测试的成本随着系统中所采用的元器件的数量呈正比而增加。元器件的成本反比例于所获得的单元的数量。因为在给定的系统中存在许多需要的元器件，要用较少数量的每一类型元器件来构建系统，(否则的话)就会增加整个系统的成本。

    例如，假设一个系统具有十块电路板，每年的制造运行率为1000个系统。如果这十块板中的每一块都采用单一功能IC来实现，那么，要完成设计可能将需要十种不同的单一功能IC。这些单一功能IC 的年运行率为每年1000。与所有电路板都采用一种多功能电源管理IC的解决方案相比，10,000片IC的价格将当然高于10,00片的价格，从而导致电源管理系统成本的增加。

TTL与PLD的类比：似乎像往日时光

    回忆往事，上世纪80年代的时候，那时数字设计工程师就采用TTL门来实现逻辑功能，传统的电源管理解决方案是采用多个单一功能的IC器件来实现的。随着电路板复杂度的增加，设计工程师被迫选择固定功能的ASIC或增加电路板上所采用的TTL器件的数量。毫不奇怪，那时候用来进行系统设计的TTL器件快速增加。

    可编程逻辑器件(PLD)的出现使工程师能够在电路板的给定单位面积内实现更多的功能，与此同时，缩短上市时间。在系统中所采用的元器件的数量被减少了，从而导致整体系统的成本进一步降低。同样的PLD器件可以被用于多个设计，从而减少了系统中所采用的器件的数量。各个公司在若干PLD器件上进行标准化，因而不必针对每一个电路板折衷所需要的功能。

    管理较少的PLD器件远远比管理大量的TTL门要容易。同样的PLD器件可以被用于多个电路板设计，从而减少或甚至取消了对备用货源的需求。设计工程师可以在把PLD安装到电路板上之前，在软件中做仿真设计，从而提高了第一时间取得成功的可能性。

    目前，利用单一功能电源管理IC就类似于过去人们对TTL门的应用。当今复杂电路板的设计需要"电源管理PLD"。的确，在电路板设计中采用这样的器件已经到了势在必行的地步。

可编程电源管理解决方案

    图2所示为利用单一可编程电源管理器件实现的电路板电源管理功能。可编程电源管理器件需要可编程模拟和数字部分以便于集成多个传统的单功能电源管理器件。设计工程师可以配置可编程模拟部分以监测各个电源电压的组合，而不必采用特殊配置的、工厂编程的单功能器件。

图2：可编程电源管理器件取代了多个单功能IC

    要用电源管理器件的可编程数字部分来定义特定电路板的逻辑，其中，结合了从可编程电源监测部分获得的结果，以实现诸如复位生成、电源故障中断生成及独立电源的上电顺序控制之类的功能。可编程的、基于软件的设计方法使电源管理器件能够提供依赖于电源管理功能的种类繁多的电路板。

采用一种可编程电源管理器件

    可编程电源管理解决方案的一个例子是Lattice半导体公司的Power Manager II器件。Power
Manager II集成了若干可编程数字和模拟部分，使集成多个单一功能的电源管理器件成为可能。图2所示为Power Manager II器件的方框图。

图3：Power Manager II器件的方框图

    图3 中描绘的器件是作为Power Manager II家族成员之一的Power1014A。这个特殊的器件具有14个输出，能够检测10个电源轨，它实现了所有的电源管理功能。

    该器件利用20个片上可编程门限精密比较器来监测多达10个电源的过压和低压情况。典型的监测精度是0.3%。数字监测输入可以被用于与数字信号的接口，如手动复位输入、电源和关机等等。

    该器件有四个定时器，每一个都可以122个步长从32μs编程到2秒。这些定时器可以被用于控制上电顺序的延迟、复位脉冲的展宽和看门狗定时器。

    片上的24个宏单元CPLD可以驱动12个开漏输出，使DC-DC转换器能够控制上电顺序、生成一个CPU的复位信号并驱动用于实现热插拔功能的P沟道MOSFET。

    有两个高压MOSFET驱动器(最高12V)，它们使电源通过N沟道MOSFET供电，或实现软启动功能，或在负电源轨实现热插拔功能。

    任何微处理器，通过I2C接口可以利用片上的10位模/数转换器来测量任何电源电压。I2C接口也可以被用于监测电源比较器、输入和输出的状态。

可编程性使电源管理的标准化成为可能

    通过简单地配置可编程器件，设计工程师能够在单一可编程电源管理器件中实现所有的板级电源管理功能。同一颗可编程器件可以被用于多块电路板，而不是采用独特的(多颗)单一功能IC。因此，设计工程师可以跨越整个设计在一个可编程电源管理器件上实现标准化。

标准化电源管理功能的优势

    把电源管理功能集成到单一可编程电源管理器件之中并把同一个器件应用到多个电路板上，就提供了下列这些优势：

    - 缩小电路板面积，提高可靠性

    把多个单一功能的IC 集成到一个器件中的主要有利条件之一是缩小了电路板的面积。减少元器件的数量和相关的布线，就可以缩小电路板的面积及相关的成本。从统计角度看，减少元器件的数量也就提高了电路板的可靠性。

    - 具备满足复杂电源管理要求的能力

    当今电路板上所使用的电源数量与日俱增，此外，监测和控制功能的复杂性也正在增加。因为可编程电源管理器件集成了更多的电源监测输入(跟单一功能的IC 相比)以及可编程数字逻辑部分，这些器件更适合于实现复杂的电源管理功能。除此以外，可编程性提供了快速适应不断变化的规格所需要的灵活性。

    - 不需要备用货源
    为了防止因一种器件无法供货而造成停工待料，典型情况下，备用货源一直是要求必备的条件，但是，典型的系统将需要来自多个供应商的多个小(批量)的单一功能器件，因此，这种要求被这一事实放大了。通过把所有电路板和项目(所采用的电源管理方案)在一个可编程电源管理器件上实现标准化，就可以极大地减少耗费时间和占用资源的备用货源，或者连备用货源都取消掉。

    - 降低整个系统的成本

    可编程电源管理器件的特色在于成本比多个单一功能IC 的成本总和要低。此外，对系统中多个电路板的电源管理进行标准化可以进一步降低成本，因为批量购买的折扣被增加了。

    - 电源管理功能可以在软件中实现

    设计是利用软件在可编程电源管理器件中实现的。典型情况下，软件设计工具也能够利用板上仿真器对电源管理算法进行验证。在把它们提交给电路板之前，要完全验证电源管理设计，第一时间取得成功的可能性就会很高，从而进一步缩短上市时间。

本文小结

    现代电路板设计势在必行的是标准化的可编程电源管理。

    用于当今电路板的电源的数量持续增加，正如电源管理算法不断变得更为复杂一样。然而，过时的传统电源管理解决方案常常被应用以满足"增强"的电源管理的要求，从而导致电路板设计的效率低下、成本昂贵且通常要作出各种折衷。

    本文提出了一种针对这种复杂的电源管理问题的设计解决方案：利用可编程混合信号电源管理器件。利用适用于系统中所有电路板的器件，设计工程师可以在这种"电源管理PLD"上实现标准化，从而降低成本、提高可靠性并加快上市时间。

关于作者

Srirama (Shyam) Chandra 是Lattice 半导体公司负责ISP 混合信号产品的产品市场营销经理，加入Lattice 以前，Chandra 在Vantis 和AMD 从事销售和应用工作，此前曾任Indian Telephone Industries 的电信设计工程师。Chandra 在印度Madras 的Indian Institute of Technology 获得硕士学位，你可以通过电子邮件shyam.chandra@latticesemi.com 与Chandra 联系。