PCB電源管理一般來說是關于給PCB供電所涉及到的方方面面的。一些通常涉及的問題有:
1. 選擇各種DC-DC 轉(zhuǎn)換器為PCB供電；
2. 電源啟閉排序/跟蹤；
3. 電壓監(jiān)測；
4. 上述全部。
在本文中,電源管理被簡單定義為:對PCB上的全部電源實施管理(包括:DC-DC轉(zhuǎn)換器、LDO等)。電源管理包括如下功能:管理PCB上DC-DC控制器。例如,熱插拔、軟啟動、排序、追蹤、容限和規(guī)整；生成全部相關的電源狀態(tài)和控制邏輯信號。例如,復位信號生成、電源故障指示(監(jiān)控)和電壓管理。圖1演示了一個采用CPU或微處理器的PCB上的典型電源管理功能；熱插拔/軟啟動控制功能用于限制浪涌電流以減小電源的啟動負載。對插入有源(live)基板的PCB來說,這是個重要功能；電源排序和跟蹤功能用于在滿足PCB上的全部器件對上電順序要求的前提下,控制如何開/關多個電源。對所有電壓進行故障(過/欠壓)監(jiān)測以向處理器就即將發(fā)生的電源故障進行預警。該功能也被稱為“監(jiān)管功能”。
圖1:PCB上的典型電源管理功能。
在處理器上電時,復位生成功能為處理器提供可靠的啟動條件。有些處理器要求在處理器全部工作電源都穩(wěn)定后,復位信號仍保留一段時間。這也被稱為復位脈沖展延。復位發(fā)生器的功能是當電源發(fā)生故障時,使處理器保持在復位模式以防止板上閃存發(fā)生不希望的錯誤。
傳統(tǒng)電源管理方案的局限性
傳統(tǒng)上,PCB上的每一電源管理功能是分別由單獨的功能IC實現(xiàn)的。對不同的電壓組合,這些IC有不同型號。這樣,就有來自不同廠家的數(shù)百個單一功能IC型號以滿足不同的電源管理需要。例如,為選擇一款復位發(fā)生器IC型號,必須提供以下信息:
1. 該復位發(fā)生器IC需監(jiān)測的電壓路數(shù)；
2. 電壓的組合(3.3、2.5、1.2或 3.3、2.5、1.8等)；
3. 故障檢測電壓的%(%、%等)；
4. 精度(3%、2%、1.5%等)；
5. 借助外接電容控制的復位脈沖展延功能；
6. 手動復位輸入。
為處理這些參數(shù)所有可能的變化,單就一個復位發(fā)生器IC來說,僅一家廠商就可有幾百個型號。另外,若在設計過程中,工程師需監(jiān)測另一個電壓(很可能),則必須選另一個不同型號的產(chǎn)品。類似,許多單一功能IC即使僅就同一個功能、根據(jù)不同參數(shù)也會有許多型號,如熱插拔控制器、電源排序器和電壓監(jiān)測/檢測器等功能IC。一個由多塊PCB構成的系統(tǒng)的每塊PCB都需要不同組的這些單功能IC,從而也增加的材料成本。
PCB設計的復雜性不斷增加
若單功能電源管理IC的使用曾經(jīng)還可管理的話,那也都是往事舊話了。許多PCB現(xiàn)一般使用若干多電壓器件,每個器件有不同的上電順序。工藝節(jié)點越精微的器件需要的電壓越低,但電流加大。設計師常常需要利用每個多電壓電源IC的一個負載點。這樣,PCB上使用的電源數(shù)將增加。隨著電源電壓回路的增加以及需多個排序管理,電源管理變得更復雜。
隨著PCB設計變得日益復雜,傳統(tǒng)的電源管理方案變得更難以招架。目前,利用傳統(tǒng)單功能IC實現(xiàn)電源管理的設計師或不得不放棄監(jiān)測某些電壓或針對每一電源管理功能選用多個單功能器件。以下兩種方法都不可取。
1． 加大了PCB面積降低了可靠性
單功能IC數(shù)的增加以及隨之而來的其間的互連不僅增加了PCB面積,從統(tǒng)計學的角度看,還降低了PCB的可靠性。例如,有可能增加組裝出錯概率,從而導致不可預見(肯定是不好)的結(jié)果。
2．第二供貨渠道以及設計妥協(xié)
若單功能器件是從不同供應商處選購的,則增加了因哪怕只有其中一個器件不能按時到位而導致的生產(chǎn)延誤風險。這又反過來導致對第二供貨渠道的需求。但,第二渠道會降低設計工程師的器件可用性,從而因這些拿不到手的器件迫使設計師不得已犧牲PCB的故障監(jiān)控覆蓋范圍。
組裝和測試費用與系統(tǒng)中所用的器件數(shù)成正比。而器件單位成本與購買批量成反比。因在一個給定系統(tǒng)中需要許多器件,而構造系統(tǒng)所需的每種器件都變少,所以增加了總體系統(tǒng)成本。例如,假設一個系統(tǒng)有10塊PCB,每年將制造1,000個這樣的系統(tǒng)。若每塊PCB采用單功能IC實現(xiàn)電源管理,則為了完成設計大概需要10種不同的單功能IC。則這些單功能IC每年的需求量是1,000塊。批量1,000時的單價當然高于批量10,000時的單價,所以,與全部PCB都采用同一種單功能電源管理IC的方案比,前一種電源管理方案的成本肯定高。
采用多個單功能IC器件實現(xiàn)的傳統(tǒng)電源管理方案已成1980年代的陳年舊事,那時,數(shù)字設計師利用TTL門來實現(xiàn)邏輯功能。隨著PCB復雜性的增加,設計師不得不在是選用固定功能的ASIC還是增加所用的TTL門的數(shù)量這兩個方案間選擇。不奇怪,系統(tǒng)設計所用的TTL器件數(shù)在急劇增加。
可編程邏輯器件(PLD)的出現(xiàn)使設計師可在給定的PCB單位面積內(nèi)實現(xiàn)更多功能且還縮短了產(chǎn)品上市時間。因降低了系統(tǒng)所用的器件數(shù),所以還降低了總體系統(tǒng)成本。因可在多個設計中使用同一個PLD,所以減少了系統(tǒng)所用器件數(shù)。公司能在不犧牲每塊PCB所需功能的前提下,對少量PLD器件進行標準化處理。
管理少量的PLD比管理很多TTL門要容易地多。相同的PLD可被用于多個PCB設計,從而減少甚至不再需要第二家供貨渠道。設計師可在設計投板前,用軟件仿真設計,從而增加了一次成功的機會。目前,利用單功能電源管理IC就像過去采用TTL門一樣老套。設計當今復雜的PCB需要“電源管理PLD”。的確,采用這種器件現(xiàn)應是PCB設計的一種要約。
可編程電源管理方案
圖2顯示了一個采用單一可編程電源管理器件的典型PCB電源管理實現(xiàn)。可編程電源管理器件需要可編程模擬和數(shù)字部分以簡化多個傳統(tǒng)單功能電源管理器件的整合。設計師可配置可編程模擬部分以監(jiān)測一組電壓組合而不必求助采用一個專門配置、廠家編程的單功能器件。
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圖2:一個可編程電源管理器件可取代多個單功能IC。
需要用電源管理器件的可編程數(shù)字部分來定義針對PCB的邏輯,該邏輯結(jié)合可編程電源監(jiān)測功能來實現(xiàn)諸如復位生成、電源故障中斷生成以及各個電源的排序。一個基于軟件的可編程設計方法論使電源管理器件能提供多種針對具體PCB的電源管理功能。
利用可編程電源管理器件
萊迪思半導體(Lattice Semiconductor)的Power Manager II器件是可編程電源管理器件的一個例子。Power Manager II整合了若干數(shù)字和模擬單元以支持多個單功能電源管理器件的整合。圖3是Power Manager II器件的框圖。圖3中所示的器件是Power1014A,它是Power Manager II系列中的一款產(chǎn)品。Power1014A可監(jiān)測10種電源電壓、帶有14個輸出,可實現(xiàn)全部電源管理功能。Power1014A利用20個片上可編程精準門限比較器實現(xiàn)多達10組電壓的過/欠壓監(jiān)測,典型監(jiān)測精度是0.3%。數(shù)字監(jiān)測輸入可用于連接諸如手動復位、電源和關斷等數(shù)字信號。
圖3:萊迪思半導體的Power Manager II系列器件架構。
Power1014A有4個定時器,每個的編程范圍都是從32μs到2s,其間有122個步進。這些定時器可用于控制排序延時、復位脈沖展延以及看門狗定時器。12路漏極開路輸出可由片上的24宏單元CPLD驅(qū)動來使能DC-DC轉(zhuǎn)換器以實現(xiàn)排序、為CPU生成復位信號及驅(qū)動用于實現(xiàn)熱插拔功能的P溝道MOSFET。Power1014A還有兩個高壓(到12V)MOSFET驅(qū)動器通過N溝道使能電源、或?qū)崿F(xiàn)軟啟動功能以及在負電壓電源上實現(xiàn)熱插拔功能。任何微處理器,借助片上的10位A/D轉(zhuǎn)換器、通過I2C總線可測量任一組電源電壓。該I2C總線還可用于監(jiān)測電源比較器、輸入和輸出狀態(tài)。
可編程能力使電源管理標準化
通過簡單地再配置可編程器件,設計師可借助一個可編程電源管理器件實現(xiàn)全部特定PCB電源管理功能。相同的可編程器件可被用于多個PCB而不是采用多個單功能IC。因此,設計師可在整個設計內(nèi)對單一可編程電源管理器件實施標準化。將電源管理功能整合進單一可編程電源管理器件并在多個PCB上利用同一器件,具有如下好處:
1. 縮小PCB體積、增加可靠性
將多個單功能IC集成進一個器件的主要好處是減小了PCB面積。減少的器件數(shù)及相應的互連走線縮小了PCB面積并降低了成本。從統(tǒng)計學角度看,減少了的器件數(shù)還增加了PCB的可靠性。
2. 滿足復雜電源管理需求的能力
當今PCB上所用的電源數(shù)在增加。另外,監(jiān)測和控制功能的復雜性也在增加。因可編程電源管理器件整合了更多的電源監(jiān)測輸入(與單功能IC比)以及可編程數(shù)字邏輯部分,所以這些器件更適合實現(xiàn)復雜的電源管理功能。另外,可編程性提供能快速調(diào)適以滿足改變的規(guī)范要求的靈活性。
3. 無需第二個供貨渠道
一般來說,第二渠道是為了規(guī)避因無法獲得器件造成生產(chǎn)延誤而采取的防范措施。一個典型系統(tǒng)實際上需來自不同供應商的多個小規(guī)模單功能器件的現(xiàn)實加劇了該需求。借助在所有PCB和項目中對單一可編程電源管理器件實施標準化,對既費時又浪費資源的第二渠道的需求可被顯著降低甚至徹底不再需要。
4. 降低總體系統(tǒng)成本
可編程電源管理器件一般來說比單獨的各單功能IC的總和價要便宜。另外,對系統(tǒng)內(nèi)的多個PCB實施標準化電源管理,因批量加大折扣更高,又進一步降低了成本。
5. 可用軟件實現(xiàn)電源管理功能
在利用由軟件實現(xiàn)的可編程電源管理器件進行設計。典型情況,利用板上模擬器,軟件設計工具還支持對電源管理算法的驗證。因電源管理設計在投板前進行了完全驗證,所以一次性通過的機會很高,從而進一步加快了產(chǎn)品上市步伐。
本文小結(jié)
當今PCB上使用的電源數(shù)在持續(xù)增加,電源管理算法甚至也變得更加復雜。然而傳統(tǒng)過時的電源管理方案仍常常被用于這些對電源管理要求益發(fā)苛刻的應用,從而使PCB設計變得低效且昂貴、還常常因不得已的取舍而使結(jié)果留有缺憾。
本文針對這一復雜的電源管理問題提出了一種設計方案:采用可編程、混合信號電源管理器件。設計師可對“電源管理PLD”實施標準化并在整個系統(tǒng)PCB上都采用該器件,從而降低了成本、增加了可靠性并加快了產(chǎn)品上市速度。
作者:Shyam Chandra
產(chǎn)品營銷經(jīng)理
萊迪思半導體
