利用标准化的可编程电源管理方案优化PCB设计
2010-12-20 14:17:20
来源：半导体器件应用网
PCB 电源管理一般来说是关于给 PCB 供电所涉及到的方方面面的。一些通常涉及的问题有：
1) 选择各种 DC-DC 转换器为 PCB 供电；
2) 电源启闭排序/跟踪；
3) 电压监测；
4) 上述全部。
在本文中，电源管理被简单定义为：对 PCB 上的全部电源实施管理（包括：DC-DC 转换器、LDO 等）。电源管理包括如下功能：管理 PCB 上 DC-DC 控制器。例如，热插拔、软启动、排序、追踪、容限和规整；生成全部相关的电源状态和控制逻辑信号。例如，复位信号生成、电源故障指示（监控）和电压管理。图 1 演示了一个采用 CPU 或微处理器的 PCB 上的典型电源管理功能；热插拔/软启动控制功能用于限制浪涌电流以减小电源的启动负载。对插入有源（live）基板的 PCB 来说，这是个重要功能；电源排序和跟踪功能用于在满足 PCB 上的全部器件对上电顺序要求的前提下，控制如何开/关多个电源。对所有电压进行故障（过/欠压）监测以向处理器就即将发生的电源故障进行预警。该功能也被称为“监管功能”。
在处理器上电时，复位生成功能为处理器提供可靠的启动条件。有些处理器要求在处理器全部工作电源都稳定后，复位信号仍保留一段时间。这也被称为复位脉冲展延。复位发生器的功能是当电源发生故障时，使处理器保持在复位模式以防止板上闪存发生不希望的错误。
传统电源管理方案的局限性
传统上，PCB 上的每一电源管理功能是分别由单独的功能 IC 实现的。对不同的电压组合，这些 IC 有不同型号。这样，就有来自不同厂家的数百个单一功能 IC 型号以满足不同的电源管理需要。例如，为选择一款复位发生器 IC 型号，必须提供以下信息：
1) 该复位发生器 IC 需监测的电压路数；
2) 电压的组合（3.3、2.5、1.2或 3.3、2.5、1.8等）；
3) 故障检测电压的%（3.3V-5%、3.3V-10%等）；
4) 精度（3%、2%、1.5%等）；
5) 借助外接电容控制的复位脉冲展延功能；
6) 手动复位输入。
为处理这些参数所有可能的变化，单就一个复位发生器 IC 来说，仅一家厂商就可有几百个型号。另外，若在设计过程中，工程师需监测另一个电压（很可能），则必须选另一个不同型号的产品。类似，许多单一功能 IC 即使仅就同一个功能、根据不同参数也会有许多型号，如热插拔控制器、电源排序器和电压监测/检测器等功能 IC。一个由多块 PCB 构成的系统的每块 PCB 都需要不同组的这些单功能 IC，从而也增加的材料成本。
PCB 设计的复杂性不断增加
若单功能电源管理 IC 的使用曾经还可管理的话，那也都是往事旧话了。许多 PCB 现一般使用若干多电压器件，每个器件有不同的上电顺序。工艺节点越精微的器件需要的电压越低，但电流加大。设计师常常需要利用每个多电压电源 IC 的一个负载点。这样，PCB 上使用的电源数将增加。随着电源电压回路的增加以及需多个排序管理，电源管理变得更复杂。
随着 PCB 设计变得日益复杂，传统的电源管理方案变得更难以招架。目前，利用传统单功能 IC 实现电源管理的设计师或不得不放弃监测某些电压或针对每一电源管理功能选用多个单功能器件。以下两种方法都不可取。
1. 加大了 PCB 面积降低了可靠性
单功能 IC 数的增加以及随之而来的其间的互连不仅增加了 PCB 面积，从统计学的角度看，还降低了 PCB 的可靠性。例如，有可能增加组装出错概率，从而导致不可预见（肯定是不好）的结果。
2．第二供货渠道以及设计妥协
若单功能器件是从不同供应商处选购的，则增加了因哪怕只有其中一个器件不能按时到位而导致的生产延误风险。这又反过来导致对第二供货渠道的需求。但，第二渠道会降低设计工程师的器件可用性，从而因这些拿不到手的器件迫使设计师不得已牺牲 PCB 的故障监控覆盖范围。
组装和测试费用与系统中所用的器件数成正比。而器件单位成本与购买批量成反比。因在一个给定系统中需要许多器件，而构造系统所需的每种器件都变少，所以增加了总体系统成本。例如，假设一个系统有 10 块 PCB，每年将制造 1，000 个这样的系统。若每块 PCB 采用单功能 IC 实现电源管理，则为了完成设计大概需要 10 种不同的单功能 IC。则这些单功能 IC 每年的需求量是 1，000 块。批量 1，000 时的单价当然高于批量 10，000 时的单价，所以，与全部 PCB 都采用同一种单功能电源管理 IC 的方案比，前一种电源管理方案的成本肯定高。
采用多个单功能 IC 器件实现的传统电源管理方案已成 1980 年代的陈年旧事，那时，数字设计师利用 TTL 门来实现逻辑功能。随着 PCB 复杂性的增加，设计师不得不在是选用固定功能的 ASIC 还是增加所用的 TTL 门的数量这两个方案间选择。不奇怪，系统设计所用的 TTL 器件数在急剧增加。
可编程逻辑器件（PLD）的出现使设计师可在给定的 PCB 单位面积内实现更多功能且还缩短了产品上市时间。因降低了系统所用的器件数，所以还降低了总体系统成本。因可在多个设计中使用同一个 PLD，所以减少了系统所用器件数。公司能在不牺牲每块 PCB 所需功能的前提下，对少量 PLD 器件进行标准化处理。
管理少量的 PLD 比管理很多 TTL 门要容易地多。相同的 PLD 可被用于多个 PCB 设计，从而减少甚至不再需要第二家供货渠道。设计师可在设计投板前，用软件仿真设计，从而增加了一次成功的机会。目前，利用单功能电源管理 IC 就像过去采用 TTL 门一样老套。设计当今复杂的 PCB 需要“电源管理 PLD”。的确，采用这种器件现应是 PCB 设计的一种要约。
可编程电源管理方案
图 2 显示了一个采用单一可编程电源管理器件的典型 PCB 电源管理实现。可编程电源管理器件需要可编程模拟和数字部分以简化多个传统单功能电源管理器件的整合。设计师可配置可编程模拟部分以监测一组电压组合而不必求助采用一个专门配置、厂家编程的单功能器件。
需要用电源管理器件的可编程数字部分来定义针对 PCB 的逻辑，该逻辑结合可编程电源监测功能来实现诸如复位生成、电源故障中断生成以及各个电源的排序。一个基于软件的可编程设计方法论使电源管理器件能提供多种针对具体 PCB 的电源管理功能。
利用可编程电源管理器件
莱迪思半导体（Lattice Semiconductor）的Power Manager II 器件是可编程电源管理器件的一个例子。Power Manager II 整合了若干数字和模拟单元以支持多个单功能电源管理器件的整合。图 3 是 Power Manager II 器件的框图。图 3 中所示的器件是 Power1014A，它是 Power Manager II 系列中的一款产品。Power1014A 可监测 10 种电源电压、带有 14 个输出，可实现全部电源管理功能。Power1014A 利用 20 个片上可编程精准门限比较器实现多达 10 组电压的过/欠压监测，典型监测精度是 0.3%。数字监测输入可用于连接诸如手动复位、电源和关断等数字信号。
Power1014A 有 4 个定时器，每个的编程范围都是从 32μs 到 2s，其间有 122 个步进。这些定时器可用于控制排序延时、复位脉冲展延以及看门狗定时器。12 路漏极开路输出可由片上的 24 宏单元 CPLD 驱动来使能 DC-DC 转换器以实现排序、为 CPU 生成复位信号及驱动用于实现热插拔功能的 P 沟道 MOSFET。Power1014A 还有两个高压（到12V）MOSFET 驱动器通过 N 沟道使能电源、或实现软启动功能以及在负电压电源上实现热插拔功能。任何微处理器，借助片上的 10 位 A/D 转换器、通过 I2C 总线可测量任一组电源电压。该 I2C 总线还可用于监测电源比较器、输入和输出状态。
可编程能力使电源管理标准化
通过简单地再配置可编程器件，设计师可借助一个可编程电源管理器件实现全部特定 PCB 电源管理功能。相同的可编程器件可被用于多个 PCB 而不是采用多个单功能 IC。因此，设计师可在整个设计内对单一可编程电源管理器件实施标准化。将电源管理功能整合进单一可编程电源管理器件并在多个 PCB 上利用同一器件，具有如下好处：
1. 缩小 PCB 体积、增加可靠性
将多个单功能 IC 集成进一个器件的主要好处是减小了 PCB 面积。减少的器件数及相应的互连走线缩小了 PCB 面积并降低了成本。从统计学角度看，减少了的器件数还增加了 PCB 的可靠性。
2. 满足复杂电源管理需求的能力
当今 PCB 上所用的电源数在增加。另外，监测和控制功能的复杂性也在增加。因可编程电源管理器件整合了更多的电源监测输入（与单功能 IC 比）以及可编程数字逻辑部分，所以这些器件更适合实现复杂的电源管理功能。另外，可编程性提供能快速调适以满足改变的规范要求的灵活性。
3. 无需第二个供货渠道
一般来说，第二渠道是为了规避因无法获得器件造成生产延误而采取的防范措施。一个典型系统实际上需来自不同供应商的多个小规模单功能器件的现实加剧了该需求。借助在所有 PCB 和项目中对单一可编程电源管理器件实施标准化，对既费时又浪费资源的第二渠道的需求可被显著降低甚至彻底不再需要。
4. 降低总体系统成本
可编程电源管理器件一般来说比单独的各单功能 IC 的总和价要便宜。另外，对系统内的多个 PCB 实施标准化电源管理，因批量加大折扣更高，又进一步降低了成本。
5. 可用软件实现电源管理功能
在利用由软件实现的可编程电源管理器件进行设计。典型情况，利用板上模拟器，软件设计工具还支持对电源管理算法的验证。因电源管理设计在投板前进行了完全验证，所以一次性通过的机会很高，从而进一步加快了产品上市步伐。
本文小结
当今 PCB 上使用的电源数在持续增加，电源管理算法甚至也变得更加复杂。然而传统过时的电源管理方案仍常常被用于这些对电源管理要求益发苛刻的应用，从而使 PCB 设计变得低效且昂贵、还常常因不得已的取舍而使结果留有缺憾。
本文针对这一复杂的电源管理问题提出了一种设计方案：采用可编程、混合信号电源管理器件。设计师可对“电源管理 PLD”实施标准化并在整个系统 PCB 上都采用该器件，从而降低了成本、增加了可靠性并加快了产品上市速度。
1) 选择各种 DC-DC 转换器为 PCB 供电；
2) 电源启闭排序/跟踪；
3) 电压监测；
4) 上述全部。
在本文中，电源管理被简单定义为：对 PCB 上的全部电源实施管理（包括：DC-DC 转换器、LDO 等）。电源管理包括如下功能：管理 PCB 上 DC-DC 控制器。例如，热插拔、软启动、排序、追踪、容限和规整；生成全部相关的电源状态和控制逻辑信号。例如，复位信号生成、电源故障指示（监控）和电压管理。图 1 演示了一个采用 CPU 或微处理器的 PCB 上的典型电源管理功能；热插拔/软启动控制功能用于限制浪涌电流以减小电源的启动负载。对插入有源（live）基板的 PCB 来说，这是个重要功能；电源排序和跟踪功能用于在满足 PCB 上的全部器件对上电顺序要求的前提下，控制如何开/关多个电源。对所有电压进行故障（过/欠压）监测以向处理器就即将发生的电源故障进行预警。该功能也被称为“监管功能”。
在处理器上电时，复位生成功能为处理器提供可靠的启动条件。有些处理器要求在处理器全部工作电源都稳定后，复位信号仍保留一段时间。这也被称为复位脉冲展延。复位发生器的功能是当电源发生故障时，使处理器保持在复位模式以防止板上闪存发生不希望的错误。
传统电源管理方案的局限性
传统上，PCB 上的每一电源管理功能是分别由单独的功能 IC 实现的。对不同的电压组合，这些 IC 有不同型号。这样，就有来自不同厂家的数百个单一功能 IC 型号以满足不同的电源管理需要。例如，为选择一款复位发生器 IC 型号，必须提供以下信息：
1) 该复位发生器 IC 需监测的电压路数；
2) 电压的组合（3.3、2.5、1.2或 3.3、2.5、1.8等）；
3) 故障检测电压的%（3.3V-5%、3.3V-10%等）；
4) 精度（3%、2%、1.5%等）；
5) 借助外接电容控制的复位脉冲展延功能；
6) 手动复位输入。
为处理这些参数所有可能的变化，单就一个复位发生器 IC 来说，仅一家厂商就可有几百个型号。另外，若在设计过程中，工程师需监测另一个电压（很可能），则必须选另一个不同型号的产品。类似，许多单一功能 IC 即使仅就同一个功能、根据不同参数也会有许多型号，如热插拔控制器、电源排序器和电压监测/检测器等功能 IC。一个由多块 PCB 构成的系统的每块 PCB 都需要不同组的这些单功能 IC，从而也增加的材料成本。
PCB 设计的复杂性不断增加
若单功能电源管理 IC 的使用曾经还可管理的话，那也都是往事旧话了。许多 PCB 现一般使用若干多电压器件，每个器件有不同的上电顺序。工艺节点越精微的器件需要的电压越低，但电流加大。设计师常常需要利用每个多电压电源 IC 的一个负载点。这样，PCB 上使用的电源数将增加。随着电源电压回路的增加以及需多个排序管理，电源管理变得更复杂。
随着 PCB 设计变得日益复杂，传统的电源管理方案变得更难以招架。目前，利用传统单功能 IC 实现电源管理的设计师或不得不放弃监测某些电压或针对每一电源管理功能选用多个单功能器件。以下两种方法都不可取。
1. 加大了 PCB 面积降低了可靠性
单功能 IC 数的增加以及随之而来的其间的互连不仅增加了 PCB 面积，从统计学的角度看，还降低了 PCB 的可靠性。例如，有可能增加组装出错概率，从而导致不可预见（肯定是不好）的结果。
2．第二供货渠道以及设计妥协
若单功能器件是从不同供应商处选购的，则增加了因哪怕只有其中一个器件不能按时到位而导致的生产延误风险。这又反过来导致对第二供货渠道的需求。但，第二渠道会降低设计工程师的器件可用性，从而因这些拿不到手的器件迫使设计师不得已牺牲 PCB 的故障监控覆盖范围。
组装和测试费用与系统中所用的器件数成正比。而器件单位成本与购买批量成反比。因在一个给定系统中需要许多器件，而构造系统所需的每种器件都变少，所以增加了总体系统成本。例如，假设一个系统有 10 块 PCB，每年将制造 1，000 个这样的系统。若每块 PCB 采用单功能 IC 实现电源管理，则为了完成设计大概需要 10 种不同的单功能 IC。则这些单功能 IC 每年的需求量是 1，000 块。批量 1，000 时的单价当然高于批量 10，000 时的单价，所以，与全部 PCB 都采用同一种单功能电源管理 IC 的方案比，前一种电源管理方案的成本肯定高。
采用多个单功能 IC 器件实现的传统电源管理方案已成 1980 年代的陈年旧事，那时，数字设计师利用 TTL 门来实现逻辑功能。随着 PCB 复杂性的增加，设计师不得不在是选用固定功能的 ASIC 还是增加所用的 TTL 门的数量这两个方案间选择。不奇怪，系统设计所用的 TTL 器件数在急剧增加。
可编程逻辑器件（PLD）的出现使设计师可在给定的 PCB 单位面积内实现更多功能且还缩短了产品上市时间。因降低了系统所用的器件数，所以还降低了总体系统成本。因可在多个设计中使用同一个 PLD，所以减少了系统所用器件数。公司能在不牺牲每块 PCB 所需功能的前提下，对少量 PLD 器件进行标准化处理。
管理少量的 PLD 比管理很多 TTL 门要容易地多。相同的 PLD 可被用于多个 PCB 设计，从而减少甚至不再需要第二家供货渠道。设计师可在设计投板前，用软件仿真设计，从而增加了一次成功的机会。目前，利用单功能电源管理 IC 就像过去采用 TTL 门一样老套。设计当今复杂的 PCB 需要“电源管理 PLD”。的确，采用这种器件现应是 PCB 设计的一种要约。
可编程电源管理方案
图 2 显示了一个采用单一可编程电源管理器件的典型 PCB 电源管理实现。可编程电源管理器件需要可编程模拟和数字部分以简化多个传统单功能电源管理器件的整合。设计师可配置可编程模拟部分以监测一组电压组合而不必求助采用一个专门配置、厂家编程的单功能器件。
需要用电源管理器件的可编程数字部分来定义针对 PCB 的逻辑，该逻辑结合可编程电源监测功能来实现诸如复位生成、电源故障中断生成以及各个电源的排序。一个基于软件的可编程设计方法论使电源管理器件能提供多种针对具体 PCB 的电源管理功能。
利用可编程电源管理器件
莱迪思半导体（Lattice Semiconductor）的Power Manager II 器件是可编程电源管理器件的一个例子。Power Manager II 整合了若干数字和模拟单元以支持多个单功能电源管理器件的整合。图 3 是 Power Manager II 器件的框图。图 3 中所示的器件是 Power1014A，它是 Power Manager II 系列中的一款产品。Power1014A 可监测 10 种电源电压、带有 14 个输出，可实现全部电源管理功能。Power1014A 利用 20 个片上可编程精准门限比较器实现多达 10 组电压的过/欠压监测，典型监测精度是 0.3%。数字监测输入可用于连接诸如手动复位、电源和关断等数字信号。
Power1014A 有 4 个定时器，每个的编程范围都是从 32μs 到 2s，其间有 122 个步进。这些定时器可用于控制排序延时、复位脉冲展延以及看门狗定时器。12 路漏极开路输出可由片上的 24 宏单元 CPLD 驱动来使能 DC-DC 转换器以实现排序、为 CPU 生成复位信号及驱动用于实现热插拔功能的 P 沟道 MOSFET。Power1014A 还有两个高压（到12V）MOSFET 驱动器通过 N 沟道使能电源、或实现软启动功能以及在负电压电源上实现热插拔功能。任何微处理器，借助片上的 10 位 A/D 转换器、通过 I2C 总线可测量任一组电源电压。该 I2C 总线还可用于监测电源比较器、输入和输出状态。
可编程能力使电源管理标准化
通过简单地再配置可编程器件，设计师可借助一个可编程电源管理器件实现全部特定 PCB 电源管理功能。相同的可编程器件可被用于多个 PCB 而不是采用多个单功能 IC。因此，设计师可在整个设计内对单一可编程电源管理器件实施标准化。将电源管理功能整合进单一可编程电源管理器件并在多个 PCB 上利用同一器件，具有如下好处：
1. 缩小 PCB 体积、增加可靠性
将多个单功能 IC 集成进一个器件的主要好处是减小了 PCB 面积。减少的器件数及相应的互连走线缩小了 PCB 面积并降低了成本。从统计学角度看，减少了的器件数还增加了 PCB 的可靠性。
2. 满足复杂电源管理需求的能力
当今 PCB 上所用的电源数在增加。另外，监测和控制功能的复杂性也在增加。因可编程电源管理器件整合了更多的电源监测输入（与单功能 IC 比）以及可编程数字逻辑部分，所以这些器件更适合实现复杂的电源管理功能。另外，可编程性提供能快速调适以满足改变的规范要求的灵活性。
3. 无需第二个供货渠道
一般来说，第二渠道是为了规避因无法获得器件造成生产延误而采取的防范措施。一个典型系统实际上需来自不同供应商的多个小规模单功能器件的现实加剧了该需求。借助在所有 PCB 和项目中对单一可编程电源管理器件实施标准化，对既费时又浪费资源的第二渠道的需求可被显著降低甚至彻底不再需要。
4. 降低总体系统成本
可编程电源管理器件一般来说比单独的各单功能 IC 的总和价要便宜。另外，对系统内的多个 PCB 实施标准化电源管理，因批量加大折扣更高，又进一步降低了成本。
5. 可用软件实现电源管理功能
在利用由软件实现的可编程电源管理器件进行设计。典型情况，利用板上模拟器，软件设计工具还支持对电源管理算法的验证。因电源管理设计在投板前进行了完全验证，所以一次性通过的机会很高，从而进一步加快了产品上市步伐。
本文小结
当今 PCB 上使用的电源数在持续增加，电源管理算法甚至也变得更加复杂。然而传统过时的电源管理方案仍常常被用于这些对电源管理要求益发苛刻的应用，从而使 PCB 设计变得低效且昂贵、还常常因不得已的取舍而使结果留有缺憾。
本文针对这一复杂的电源管理问题提出了一种设计方案：采用可编程、混合信号电源管理器件。设计师可对“电源管理 PLD”实施标准化并在整个系统 PCB 上都采用该器件，从而降低了成本、增加了可靠性并加快了产品上市速度。
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