隨著電路板設(shè)計日趨復(fù)雜，開始將現(xiàn)有的硬件/電源管理架構(gòu)性能推向極限。目前最常用的電路板管理架構(gòu)共有四種，雖然都可用于支援這些復(fù)雜的設(shè)計，但是或多或少都需要在設(shè)計的可擴展性、工作量或成本方面做出讓步或妥協(xié)。

 

最近，第五種電路板管理架構(gòu)出現(xiàn)了，它能夠提供目前最高的性能、安全性和靈活性，同時大幅減少設(shè)計工作量和建置成本。本文將探討這種全新的架構(gòu)，主要著重于其提供的電源管理功能。

 

概述

我們通常將一塊電路板分為兩個功能模組(圖1)——負載管理(Payload Management)和硬件管理(Hardware Management)。對于大多數(shù)的電路板來說，負載功能部份占整個電路板面積的80%至90%(資料/控制層和/或處理器)。剩下的10%至20%則為硬件管理部份，用于執(zhí)行硬件級的監(jiān)控/控制或內(nèi)務(wù)處理。
 

 

 

圖1：在典型的電子系統(tǒng)中，硬件管理部份通常占電路板面積的10%~20% 

 

遺憾的是，目前大多數(shù)硬件管理解決方案很難進行擴展以滿足越來越復(fù)雜的負載功能需求。例如，盡管硬件管理部份僅占電路板面積的10%至20%，但這部份的設(shè)計和除錯所需的時間占整個開發(fā)周期相當(dāng)大的比重(30%至40%)。同樣地，硬件管理器占用總材料成本(BOM)的比重也高得不成比例。

 

直到最近，一種全新的分散式架構(gòu)面世了，它比其他架構(gòu)更具有可擴展性，而且能以更低的BOM成本實現(xiàn)。為了便于瞭解分散式架構(gòu)的優(yōu)點，我們先討論最常用的四種硬件管理架構(gòu)(圖2-5)如何建置電源管理功能，接著再深入探索分散式架構(gòu)(圖7)。

 

基于控制PLD的電源管理架構(gòu)比較

以下將就四款常用的電源管理架構(gòu)進行比較(圖2-5)。

 

電源架構(gòu)#1：基于CPLD的電源管理和內(nèi)務(wù)處理

在這種架構(gòu)中，電源管理功能被添加到板上控制PLD (CPLD)中。該CPLD監(jiān)控輸入電源和每個DC-DC轉(zhuǎn)換器的‘Power Good’訊號(圖2)。使用CPLD實現(xiàn)時序演算法產(chǎn)生‘Enable’訊號用于負載電路上電，避免導(dǎo)致?lián)p壞或邏輯錯誤。該CPLD還可產(chǎn)生邏輯訊號，如重設(shè)(Reset)和Power Good等訊號，以確保負載元件能夠在上電時開始操作或在斷電時停止操作。它還負責(zé)產(chǎn)生序列，以便在斷電或偵測到故障時安全地停用電源。PLD易于支援事件導(dǎo)向的解決方案，可為不同的故障組合分別提供響應(yīng)。

 

圖2：基于CPLD的硬件管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)電源管理和內(nèi)務(wù)處理功能

 

對于這類型的設(shè)計，所有的電源時序、保護和控制功能均使用CPLD實現(xiàn)，通常以VHDL或Verilog編寫。

 

優(yōu)點：

?　低成本

?　直觀的架構(gòu)，使得CPLD的時序邏輯易于因應(yīng)新應(yīng)用進行調(diào)整

?　使用一種設(shè)計環(huán)境(常用Verilog)即可實現(xiàn)設(shè)計

?　事件導(dǎo)向的架構(gòu)能以靈活的方式對各種故障做出不同的回應(yīng)

 

缺點：

?　由于每個電源需要2條訊號通道，更大、更復(fù)雜的設(shè)計開始面臨更多CPLD I/O埠數(shù)以及電路板擁擠的挑戰(zhàn)

?　Power Good偵測不精確(通常為8%到20%的錯誤率)以及無法監(jiān)控電源電壓的趨勢，導(dǎo)致可靠性降低

?　添加自動測量功能(監(jiān)控實際的電源電壓，而非Power Good訊號)，必須添加1個A/D轉(zhuǎn)換器，增加了電路板的成本和復(fù)雜度

?　需要電路板級工程師(具備數(shù)位電路經(jīng)驗)建置所需的功能，在很多情況下，這一類的工程師并不是電源方面的專家

 

電源架構(gòu)#2：采用電源管理IC置電源管理，并使用CPLD進行內(nèi)務(wù)處理

在此功能拆分的架構(gòu)中，1顆電源管理IC負責(zé)為電路板的DC-DC轉(zhuǎn)換器進行監(jiān)控和定序(圖3)。因為電源管理IC能直接監(jiān)控電源的電壓，還可執(zhí)行微調(diào)和裕度功能。CPLD使用電源的Power Good狀態(tài)來產(chǎn)生必要的控制、狀態(tài)和內(nèi)務(wù)處理訊號。

 

圖3：使用電源管理IC和CPLD實現(xiàn)的硬件管理系統(tǒng)

 

這些設(shè)計經(jīng)常使用基于GUI配置的工具來定義電源管理IC功能，而CPLD邏輯則使用VHDL或Verilog加以定義。

優(yōu)點：

?　減少CPLD的I/O數(shù)量，因為‘Enable’功能可由電源管理IC執(zhí)行

?　電路板空間更寬裕，得以實現(xiàn)更簡化的布局和更少的PCB層數(shù)

?　藉由直接監(jiān)控電源電壓，電源管理IC可取得更加精確的系統(tǒng)整體健康資訊，提高系統(tǒng)穩(wěn)定度

 

缺點：

?　電源管理IC增加了BOM成本——特別是需要多個元件時

?　該架構(gòu)可提供事件導(dǎo)向的響應(yīng)，但是如果部署了兩個以上的電源管理IC就會增加設(shè)計復(fù)雜度

?　為更復(fù)雜的設(shè)計調(diào)整序列將變得更困難——特別是當(dāng)牽涉到為多個電源管理IC劃分功能時

?　由于設(shè)計流程必須使用多個工具(GUI + VHDL/Verilog)，可能需要多名工程師，而且會增加設(shè)計風(fēng)險

 

電源架構(gòu)#3：使用CPLD實現(xiàn)內(nèi)務(wù)處理，并以PMBus實現(xiàn)基于MCU的電源管理功能

圖4中的架構(gòu)使用微控制器(MCU)來控制數(shù)控負載點(DPOL)的電源時序。MCU使用電源管理匯流排(PMBus)來管理DPOL——PMBus是基于I2C匯流排的雙線通訊協(xié)定。CPLD負責(zé)板上內(nèi)務(wù)處理功能以及控制帶有類比控制介面(APOL)的任意負載點DC-DC轉(zhuǎn)換器。為了簡化軟件設(shè)計，大多數(shù)基于MCU的電源管理設(shè)計采用時間序列方案。

 

圖4：使用CPLD和MCU共同實現(xiàn)的硬件管理系統(tǒng)

 

基于軟件的電源管理存在另一個潛在缺點，即需要更長的故障回應(yīng)時間(通常需要10~15毫秒，而CPLD的回應(yīng)時間則是微秒級的)。對于需要更快回應(yīng)時間(或者是事件導(dǎo)向的序列)的某些故障來說，可添加CPLD作為第二道保護措施。

 

實現(xiàn)基于軟件的電源管理需要用于MCU的軟件和CPLD設(shè)計的VHDL或Verilog。

優(yōu)點：

?　設(shè)計十分易于進行調(diào)整(僅針對基于時間的序列)

?　豐富的軟件開發(fā)工具，使得基于MCU的解決方案能夠更快、更方便地進行除錯。

?　升級韌體即可快速更改設(shè)計

?　簡化PCB設(shè)計——DPOL周圍的布線更有馀裕

 

缺點：

?　更昂貴的BOM成本

?　難以針對事件導(dǎo)向的序列需求調(diào)整設(shè)計

?　需要多種設(shè)計工具(Verilog/VHDL+軟件)

?　APOL和DPOL混合控制解決方案存在以下多項缺點：(1)較難模擬(2)硬件管理功能僅能在原型板開發(fā)環(huán)境中進行測試(3)復(fù)雜度增加了系統(tǒng)除錯時間

 

電源架構(gòu)#4：使用CPLD與晶片上ADC實現(xiàn)電源管理和內(nèi)務(wù)處理

為了克服Power-Good訊號不精確導(dǎo)致的問題，可使用配備晶片上類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)的CPLD來監(jiān)控板級電源電壓。在此架構(gòu)中，CPLD建置使用晶片軟/硬處理器核心的電源管理功能，而內(nèi)務(wù)處理功能則由硬件邏輯實現(xiàn)(圖5)。

 

圖5：使用配備晶片上ADC的CPLD實現(xiàn)硬件管理系統(tǒng)

 

針對這種類型的設(shè)計，設(shè)計工程師常常以軟件開發(fā)電源管理功能，以及使用VHDL/ Verilog開發(fā)其他內(nèi)務(wù)處理功能。

優(yōu)點：

?　該解決方案十分易于進行調(diào)整或搭配其他設(shè)計

?　結(jié)合電源管理和內(nèi)務(wù)處理功能，縮短設(shè)計時間

?　該架構(gòu)可為遠端系統(tǒng)管理器提供電壓遙測功能

 

缺點：

?　需要更高密度與I/O接腳數(shù)更多的CPLD

?　復(fù)雜的CPLD增加系統(tǒng)成本

?　將低電壓類比遙測布線至單一位置，將使電路板空間更加擁擠

?　迫使數(shù)位電路工程師必須同時建置電源管理功能以及數(shù)位控制功能

 

分散式電源管理架構(gòu)

上述的每一種解決方案都會使得相關(guān)設(shè)計做出不同程度的妥協(xié)，以在性能、靈活性、安全性、成本、復(fù)雜程度以及便捷性之間取得平衡。
 

隨著電源管理系統(tǒng)變得越來越大和越來越復(fù)雜，要做出上述妥協(xié)也變得越來越困難。而下文介紹的分散式電源管理架構(gòu)由于使用了低成本的類比感測與控制(ASC)電源管理元件，避免了上述其他架構(gòu)在設(shè)計方面的許多讓步。這些ASC元件可實現(xiàn)完整的硬件管理功能(電源和溫度管理、控制通道以及內(nèi)務(wù)處理功能，被統(tǒng)一稱作硬件管理功能)。

 

例如，萊迪思半導(dǎo)體(Lattice Semiconductor)的L-ASC10是一款硬件管理(電源、溫度和控制層)擴展器。它可與CPLD(如萊迪思的低成本MachXO2系列)配合使用，以實現(xiàn)電路板的硬件管理功能。圖6顯示硬件管理功能如何在L-ASC10及其輔助晶片MachXO2CPLD之間進行劃分。

 

圖6：L-ASC10遠端感測和控制元件

 

每一條類比感測通道都可透過兩個獨立的可程式比較器進行監(jiān)控，支援高/低以及輸入/輸出(視窗比較)監(jiān)控功能。ASC和CPLD之間的通訊則透過一條3線序列匯流排(Tx/Rx/Ck)實現(xiàn)。

接下來，我們將會看到使用單條序列匯流排監(jiān)控多個電源電壓時，可大幅降低PLD所需的I/O數(shù)量。

 

電源架構(gòu)#5：由CPLD和ASC元件(提供分散式電壓感測和控制)實現(xiàn)的電源管理和內(nèi)務(wù)處理功能

在分散式硬件管理架構(gòu)中，CPLD使用幾個外部ASC元件監(jiān)控電源電壓，并傳輸‘Enable/Disable’指令至DC-DC電源，并執(zhí)行其他內(nèi)務(wù)處理功能。

 

圖7：使用分散式架構(gòu)實現(xiàn)的硬件管理系統(tǒng)

 

電源管理和內(nèi)部處理功能均可使用GUI工具、VHDL/Verilog或結(jié)合上述兩者實現(xiàn)。

優(yōu)點：

?　常見的3線匯流排最大程度減少所需的CPLD I/O接腳數(shù)

?　簡化的PCB布線，大幅提升電路板馀裕

?　整個系統(tǒng)可采用一種設(shè)計環(huán)境(GUI或VHDL/Verilog)進行開發(fā)

?　分散式架構(gòu)是高度可擴展的

?　電壓、電流和溫度監(jiān)控功能整合于ASC元件中，降低解決方案成本

?　整合電源管理和內(nèi)部處理功能，縮短設(shè)計時程

?　采用萊迪思的標淮電源除錯套件，大幅縮短電路板除錯時間

 

總結(jié)

隨著電路板級系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜度日益提高，硬件管理系統(tǒng)在設(shè)計工作量和BOM成本這兩方面所占的比重越來越大。使用CPLD和POL電源實現(xiàn)某些或所有的管理功能，可減輕上述趨勢帶來的困難，然而此時成本變成了攔路虎。現(xiàn)在，分散式硬件管理架構(gòu)面世了，可透過3線序列鏈路將CPLD連接到低成本的感測元件。除了降低設(shè)計復(fù)雜度、電路板空間要求以及BOM成本之外，該架構(gòu)還可使用多種類比和數(shù)位工程師常用的工具進行建置。