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PCB设计大讲堂:系统导向的板级电源管理方法

发布时间 :2018-02-01 14:45 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
电源管理的挑战
由于电路板组件整合了越来越多的子系统,他们的电源分配和管理系统的复杂性不断上升。由于这些系统变得越来越复杂,传统的固定功能、以硬件为中心的电源管理方案很快变得相当笨拙。
 
另一种方法是用自上而下的、需求驱动的办法来解决PCB设计问题,取代试图围绕一个或多个固定功能的整合电路,来设计电路板的电源管理功能;设计人员用独立的物理与逻辑功能来定义系统,根据这些功能来推动PCB设计。
 
用这样的方法进行设计需要更新设计理念,系统的控制逻辑与硬件转移到韧体或是软件,而优点是减少了所需零组件的数量、降低系统的成本,在适应无法预料的需求方面具有更大的灵活性。
 
本文介绍了这种系统导向方法的实例,将其应用到CompactPCI (cPCI)板级电源管理,其中包括热插拔功能。
 
基本的CompactPCI电路板的电源管理
图一展示了一个支援热插拔的cPCI板的电源管理系统的顶层设计图;当这块电路板插到背板时,热插拔控制器必须完善地执行以下的操作:
 
1)测试cPCI汇流排电源处于稳定狀态,且用/BRD_SEL讯号使电路板就位。这些条件得到满足时,控制器可以连接电路板的电源系统到汇流排电源。对于电路板吸取大电流的电源线路,电源管理可能还需要控制电压上升率,以防止在系统中可能瞬态破坏其他电路板的运作。
 
2)监控cPCI汇流排的控制讯号,尤其是/PCI_RST。电源管理器必须使本地复位讯号/LOCAL_PCI_RST有效,在所有电路板级电压稳定之后,保持一定的时间,以确保电路板上的系统正确初始化。
 
3)监控板上的电源电压,电流和电路板上子系统的狀态讯号,以确定一切是否正常工作。如果是这样的情况,那么控制器可以使cPCI汇流排上的HEALTHY讯号有效。在出现故障情况下,该控制器需要以尽量减少潜在损害的方式作出反应。
图一展示了一个支援热插拔的cPCI板的电源管理系统的顶层设计图
 
图一即使是一个简单的cPCI电源管理系统也有各种需求,专门功能的控制晶片可能不满足这些要求。例如,1.8V和1.2V的POL转换器的时序要求,将需要额外的控制电路。
 
相反,当热插拔控制器检测到电路板正在从系统中拔出,在电源连接器断开之前,必须确保电路板边缘的电源已脱开。不这样做的话,就会在背板的电源上产生电弧和瞬变,可能会干扰其他正在运作的电路板。
 
在实际的热插拔控制系统中,即便是一个简单的系统,还有其他一些重要细节可能需要控制器进行处理,例如如果未能妥善处理过流检测的情况,可能影响系统中的其他电路板。
 
如果对于cPCI系统使用专用功能的cPCI热插拔控制器,通常提供(但不总是)上面所述的基本时序和诊断功能。如果电路板能够在一个约束的专门功能的热插拔控制器内工作,这也许是最简单的解决办法。
 
CompactPCI的电路板电源管理不仅仅是热插拔控制
随着板级整合度的不断提升,对电源管理的作用和复杂性的要求也越来越高。多个元件可能需要遵循特殊的上电和断电时序。甚至使用多个电压支持核和I/O电路的单晶片可能需要专门的时序。透过使用DC-DC转换器及负载点(POL)稳压器,往往是在本地电路板上提供多个电源,并可能需要单独的监测和控制功能。
 
设计用于不间断和通讯应用中的系统,带来了额外的电源管理问题;例如,电路板上一个子系统中的一个元件失效时,它可能只需要能够关闭有故障的子系统,而允许电路板上的其他子系统继续工作。
 
实现设计的一种方式是开始用一个或多个「标淮」的电源管理整合电路,支援所需的单个功能,然后再设计一个协调它们运作的系统。根据协调的复杂性,实现可能是简单的黏合逻辑,或复杂的微控制器和支援韧体(图二)。
 
图二电源管理系统可以透过组合标淮的电源管理IC与顶层控制功能来实现
图二电源管理系统可以透过组合标淮的电源管理IC与顶层控制功能来实现。虽然简单设计是可行的,当人们试图提供独立控制器的各种功能和介面需求时,这种方法很快变得无法控制。
 
虽然这种 ad-hoc 方式可能会形成一个有用的设计,但是可能由于未使用的功能和复制的功能,以及大的封装而造成不必要的费用。
 
此外,即使最终能够与微控制器相协调,这种解决方案的硬连线的性质会使人难以逐步修改设计来解决问题,或支援产品的迁移。
 
系统导向的方法
取代从一个或多个预先定义的控制器整合电路实现电源管理系统的方法,更有效的方法是首先考虑需要那些基本功能,以支援电源管理系统。这些功能可以分为支援硬件测量和控制的资源,支持时序和组合处理创建的逻辑运算。表一列出了需要实现电源管理的、最常見的部分功能。

物理功能  逻辑功能
* 电压监测
* 电流监测
* 具有电流限制和'软启动'
的热插拔控制
* 数位控制
* 监控通信
* 线性时序
* 组合逻辑处理
* 条件分支
* 时间延时
* 多个同时处理
* 特定条件的非规划的'中断'
表1 通用电源管理功能
 
分解电源管理系统的要求至上述功能可以更容易、简洁地定义设计。第一步是确定所需关键功能的类型和功能,如电压和电流监测点和数位I/O。下一步是确定对每个资源的具体要求。对于图 1 假设的cPCI电源系统,需要以下的资源(表二):
资源 数量 注释
电源开关
4
(+12,-12,+5,+3.3)
+5V 和 +3.3V 的软启动热插拔控制
电压监控 8
在汇流排和电路板上监控+12V, +5V和 +3.3V
监控 1.8V 和 1.2V POL 的稳压器输出
电流监控 2 监控+5V 和 +3.3V 上的电流
数字I/O 2 输入 / 4 输出 开漏输出
表 2 用于cPCI电源管理的资源
 
下面的设计实例将使用莱迪思半导体公司的ispPAC Power Manager II系列,ispPACPOWER1220AT8。基于工业标淮的基于巨集单元的CPLD架构,这个元件针对电源管理应用进行了优化,整合了专门的I/O,如可编程电压监视输入和high-side MOSFET驱动器输出功能。
 
图三展示了ispPAC-POWER1220AT8 (U1)的示意图,它和相关元件配置为用作cPCI-4-的热插拔控制器,以及次级电源监控和时序控制器。
 
由于 Power Manager II 是可编程的,在分配功能至特定的 I/O 引脚方面有很大的灵活性。由于这个原因,出于明确起見,U1 的脚被赋予相应的描述性的标签,在此特定应用中对应它们的编程功能。在其他应用中,该元件的引脚可通过使用莱迪思的 PAC-Designer 设计软件赋予不同的功能和相应的名称。
图三莱迪思半导体公司的ispPAC-POWER1220AT8 支援cPCI电源管理系统所需的主要功能
 
图三莱迪思半导体公司的ispPAC-POWER1220AT8 支援cPCI电源管理系统所需的主要功能。对于电源开关,电流监测和高电压介面(+/- 12V)功能需要外部的主动元件。
 
对于这个设计,需要一些外部的主动元件,以支援电源开关,高电压(+/- 12V)介面,或电流测量功能。 MOSFET M1- M4 处理实际的负载开关。对于M1 和M2,Power Manager II的电荷泵MOSFET驱动器输出可以产生足够的电压对它们直接控制,通过MOSFET的闸极电压的斜率控制,也可以提供软启动功能。M3 和M4 用来切换+/-12V 电压, 需要用外部的元元件来实施电平的转换。
 
U1 的电压监控输入可直接检测 0 至 5.75V的电压范围,可用于直接监测多个电源电压。但是在+12V电源供电的情况下,需要有一个外部电阻分压器,将 12V电压降至一个合适的范围。使用电阻分压器转换到 3.3V正电压,也可以检测-12V电源电压。外部电流传感电阻(RSENSE1,RSENSE2)和电流检测放大器(U2,U3)能够监测 3.3V和 5V电源线上的电流。
 
除了 Power Manager II 的通用数位和类比 I/O,元件还提供一个 I2C 数位介面,用独立的监控处理器可以进行控制和监测。在 cPCI 板上实施高级监测和诊断功能时,这个功能是很有用的。
 
cPCI 板的管理
除了硬件之外,cPCI 电源控制器也需要一些协调操作的逻辑处理。适当处理的定义往往是比支援硬件的定义实施更为复杂的任务,特别表现在要求硬件和软件密切配合实现功能。例如,图 3 电路可以在 3.3V 和 5V 线上对浪涌电流进行限制,而不需要硬件电流调节器。当电路板插入背板时,控制器(U1)处于等待狀态,直到电源电压趋于稳定,以及/BD_SEL 信号变为启动狀态。
 
使用 U1 的软启动 MOSFET 驱动器,然后打开 MOSFET M1 和 M2。不断监测流经M1 和 M2 的电流,如果电流增加超过可编程的阈值,关闭 M1 和 M2。然后电流开始迅速下降,当它低于阈值时,MOSFET 再重新打开。这一过程不断持续,直到 3.3V 和 5V 电压达到正常的工作电压和电流值。在硬件和逻辑功能之间分割浪涌电流限制功能的话,就可以使硬件更简单,更便宜。
 
规范板级电源管理
使用可编程元件作为电源系统控制器的一个优点是可以直接对控制逻辑和I/O的分配做出修改,在产品开发过程中提供很大的益处。而且,这种灵活性还为企业提供了好处。使用ispPAC-POWER1220AT8 这样的可编程电源管理晶片使设计人员和设计部门建立一个或多个公用平台,只需稍加修改就可以迅速地适用于各种项目。
 
总结
本文用具有辅助 POL 稳压器的 CompactPCI 热插拔控制器为例,介绍了面向系统的方法来设计电源管理系统。用硬件和逻辑基元设计定义设计要求简化了硬件设计,使很多复杂的设计转成用可编程逻辑实现。这种方法使得设计既降低了成本,还可以随时在特定的 cPCI 板上进行修改。


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