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随着可编程逻辑技术在设计中的电源管理子系统部分的使用,为电路板／系统设计工程师带来了新的功能.将可编程逻辑技术应用于电源管理的实际好处是,设计人员可以退一步并重新审视整个设计,使用PLD(可编程逻辑器件)作为高层系统元器件,来创造更多集成的、以功能为导向的解决方案.
设计实例
也许最简单的方式来说明这个“设计思想转变”是使用一个设计实例.目标设计是一个电源／电路板管理子系统,用于机架安装的通信系统的控制卡中.电路板框图如图1顶部所示,还有一个电源管理模块的扩展视图如底部所示.电路板上的主要元件是MCU、FPGA、ASIC、DDR存储器、闪存、外设和电源／电路板管理子系统.电路板有pactPCIExpress(cPCI Express)背板,可以在电路板通电时插入或拔出(热插拔功能).背板提供了标准的cPCI Express电源,+12V、+5V和+3,3V,并且这些可以用来开发更多板上的电源电压(例如,+2,5V和1,8V).在这个设计中,12V电压将使用的负载点(POL)DC-DC转换器为电路板供电,+2,5V和+1,8V.
热插拔和电源／电路板管理子系统有以下主要要求：
电路板电源要求范围为10-200W.
当在上电情况下插入系统时,+12V、+5V和+3.3V电路板电压需要以可控的方式上拉,这样浪涌电流不会损坏电路板的电源MOSFET并且也不会影响其他电路板插入机架(热插拔功能).
电路板必须产生一个背板故障预警.
电路板电压必须正确上电,因为一些元件需要电源按特定顺序或特定斜率上电.
必须生成特定电路板的电源管理信号用于FPGA初始化、器件和子系统复位.
系统控制器必须可以通过I2C来进行背板电压测量以及板上的电压和电流的测量.
自下而上的设计方法：独立的电源管理元件
在确定了关键的电源管理要求后,设计人员可能会开始将类似的电路元件放到电源管理子系统中.这也就是传统的电源管理方法.使用各种器件,如热插拔控制器、电源定序器／监控器、DC-DC转换器、MOSFET、双极晶体管、放大器、Zener二极管和电容,设计人员可以开始开发设计的其他部分,同时增加一些新的元件来实现新的功能.不变的是,使用一个PLD来连接这些器件,并且实现cPCIExpress控制信号部分所需的其余简单的数字功能.如图1底部所示的即是这样设计的结果,(注意,图l是一个实际设计的简化版,还未包括许多电阻、电容和zener二极管,用于时序、保持和其他功能).这种电源管理方法会提高成本、降低系统质量和可靠性,并增加了电路板重新布局的风险.
其他元器件增加了成本
采用自下而上的方法,还可能要用到其他元件.由于每个电源管理功能最初的设计是不考虑其他电源的,可能会使用不必要的重复的器件.此外,由于这些器件都独立进行设计,它们有其各自的子元器件(电荷泵、参考电压、低电压监测器、比较器、封装、引脚等),从而使这些组件都产生不必要的重复.这增加了元件、测试和制造成本.由于使用了更多的元件和其之间的互连,还降低了可靠性.
提高了设计复杂性降低了质量和可靠性
也许电源管理子系统可以做的最重要的事就是,提高电路板可靠性来改善电源故障监测的准确性和关机速度.如果故障能被准确且迅速地响应并且迅速采取更正措施,闪存讹误或对板上元件的其他类型的损坏都将最小化.一个自下而上的设计方法将创建一个具有重叠实现的故障监测和响应功能的非统一的系统.由此产生的精度和响应时间可能都会降低.例如,它可能无法提供预警,针对处理器意外的卡拔出,或者卡拔出时电源没有及时做出反应,进行有序的关断；或者它可能无法调整各种时序元件来准确地提供关键且相互依赖的去抖延时、重试时间和复位序列.
独立的固定功能元件提高了电路板重新布局的风险
无论设计人员怎样仔细考虑所有影响到系统的变量,总还是会在电路板制成后有更改的风险.频繁的更改主要是由于可用性问题、规格的变化、市场要求甚至是设计缺陷,并且这些可能导致重大的重新设计.即使是很小的改、变,如对电源开／关时序、斜率或电压触发电平,都需要修改外部时序元件或增加元件到电路板上.因此,使用独立的固定功能元件的电源管理设计很可能会因为设计需求的更改而需要重新进行电路板布局.自上而下的设计方法：采用可编程电源管理器件
与前面所介绍的自下而上的方法相反的是自上而下的设计方法,开始仔细审视和理解系统其余部分的主要电源需求.设计人员不再使用单个电源管理元件,而是选择集成的可编程电源管理器件,包括了满足这些主要需求的所有功能.这样,可以更加简便地进行高效的开发.
一个可编程的电源管理器件
集成的、可编程电源管理器件的主要功能如图2所示.电源管理器件包含了许多用于自下而上的设计中的元件,但它们都集成在单个器件中并进行了功能管理,以简化设计过程.我们将利用这些功能模块中的两个,来更好地说明这种设计方法,从组件化思考和自下而上的设计方法,变为功能化思考和自上而下的设计.
双阈值电源监视器
此块有两个输出：一个阈值(高于RefA)和窗口(在RefA和RefB之间).由于其高度集成,这个模块可以替代许多现成的监控器和复位发生器,降低了成本.这些用于电源故障监测的片上比较器,精确度为0.7％,并能够在16us内产生故障信号.与使用多个器件来实现的系统相比,高精度、快速的故障检测显著地提高了系统的可靠性.
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高电压MOSFET驱动器
高电压MOSFET驱动器输出特定斜率或电压的拉电流,或灌电流输出到地.在Power Manager II器件中,所有这些MOSFET的特性都是可编程的,允许设计人员很容易地修改时序、电压或电流.MOSFET驱动器特性的编程功能,有利于快速响应不断变化的需求,避免了电路板重新布局.例如,如果MOS
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这两个主要功能还可以一起工作,来简化设计部件.例如,监视器模块可用于检测热插拔事件中的过电流,然后MOSFET驱动器可用于控制MOSFET的栅极,保持在安全工作区域内(s0A)工作.在使用多个独立器件时,可能无法降低成本,因为实现这些功能的信号可能无法从外部引脚获得,或者还需要额外的“接口逻辑”.
实现示例
CPCIExpress电源管理子系统,采用自上而下的方法设计,如图3所示.莱迪思Power Manager II器件是设计的核心,为电路板上的电源集成了热插拔控制(通过充电泵电路将MOSFETQ5用作3.3V,Q4用作+5V,Ql用作+12V)；监测电压和电流故障；板上电压定序(通过+1.8V和+2.5V POL稳压器)因此FPGA、存储器和MCU正确初始化,故障或热插拔时关闭MOSFET；并产生复位.
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Power Manger II中的PLD模块是用来建立必要的cPCIExpress,总线控制信号、板级复位、初始化和故障预警信号.它还提供了控制热插拔MOSFET所需的时序和反馈控制、使能POL电源、去抖、重试、过压、过流和快速(小于1us)短路保护.集成的PLD提供了集中控制逻辑,将所有电源管理功能联系起来,大大降低了设计的复杂性,从而提高质量和可靠性.可编程性使得硬件功能能够更为有效的共享,这就降低了成本.最后,PLD模块降低了电路板重新布局的风险,因为所有的主要器件、时序和控制特性,可根据需要进行修改.电源管理的新趋势
由此得到的设计轻松地满足了所有先前列出的cPCIExpress电源管理子系统的主要要求.莱迪思P0wer Manager II作为顶层控制器,提供了集成的时序和协调来简洁且高效地管理子模块.自上而下的功能设计方法,通过高度集成和电源管理器件的可编程能力实现,大大降低了每个功能的成本,提高了质量和可靠性,并在有需要进行更改时,大大降低了对进度的影响并减少了电路板重新布局的风险.
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