電源管理案例分析--基于CompactPCI電路板

電源管理的挑戰

　　由于電路板組件集成了越來越多的子系統，他們的電源分配和管理系統的復雜性不斷上升。由于這些系統變得越來越復雜，傳統的固定功能的以硬件為中心的電源管理方案很快變得相當笨拙。另一種方法是用自上而下的，需求驅動的辦法來解決設計問題。取代試圖圍繞一個或多個固定功能的集成電路來設計電路板的電源管理功能，設計人員用獨立的物理和邏輯功能來定義系統，根據這些功能來推動設計。用這樣的方法進行設計需要更新設計理念，系統的控制邏輯從硬件轉移到固件或軟件。而且，這些優點是減少了所需元器件的數量、降低了系統的成本，在適應無法預料的需求方面具有更大的靈活性。

　　本文介紹了這個面向系統的方法的實例，將其應用到CompactPCI（cPCI）板級電源管理，其中包括熱插拔功能。

　　基本的CompactPCI電路板的電源管理

　　圖1展示了一個支持熱插拔的cPCI板的電源管理系統的頂層設計圖。當這塊電路板插到背板時，熱插拔控制器必須完善地執行以下的操作：

　　1）測試cPCI總線電源處于穩定狀態，且用/BRD_SEL信號使電路板就位。這些條件得到滿足時，控制器可以連接電路板的電源系統到總線電源。對于電路板吸取大電流的電源線路，電源管理可能還需要控制電壓上升率，以防止在系統中可能瞬態破壞其他電路板的運作。

　　2）監控cPCI總線的控制信號，尤其是/PCI_RST。電源管理器必須使本地復位信號/LOCAL_PCI_RST有效，在所有電路板級電壓穩定之后，保持一定的時間，以確保電路板上的系統正確初始化。

　　3）監控板上的電源電壓，電流和電路板上子系統的狀態信號，以確定一切是否正常工作。如果是這樣的情況，那么控制器可以使cPCI總線上的HEALTHY信號有效。在出現故障情況下，該控制器需要以盡量減少潛在損害的方式作出反應。

　　圖1即使是一個簡單的cPCI電源管理系統也有各種需求，專門功能的控制芯片可能不滿足這些要求。例如，1.8V和1.2V的POL轉換器的時序要求將需要額外的控制電路。

　　相反，當熱插拔控制器檢測到電路板正在從系統中拔出，在電源連接器斷開之前，必須確保電路板邊緣的電源已脫開。不這樣做話就會在背板的電源上產生電弧和瞬變，可能會干擾其他正在運作的電路板。

　　在實際的熱插拔控制系統中，即便是一個簡單的系統，還有其他一些重要細節可能需要控制器進行處理，例如如果未能妥善處理過流檢測的情況，可能影響系統中的其他電路板。如果對于cPCI系統使用專用功能的cPCI熱插拔控制器，通常提供（但不總是）上面所述的基本時序和診斷功能。如果電路板能夠在一個約束的專門功能的熱插拔控制器內工作，這也許是最簡單的解決辦法。　

　　CompactPCI的電路板電源管理不僅僅是熱插拔控制

　　隨著板級集成度的不斷提升，對電源管理的作用和復雜性的要求也越來越高。多個器件可能需要遵循特殊的上電和斷電時序。甚至使用多個電壓支持核和I/O電路的單芯片可能需要專門的時序。通過使用DC-DC轉換器及負載點(POL)穩壓器，往往是在本地電路板上提供多個電源，并可能需要單獨的監測和控制功能。　

　　設計用于不間斷計算和通信應用中的系統帶來了額外的電源管理問題。例如，電路板上一個子系統中的一個元件失效時，它可能只需要能夠關閉有故障的子系統，而允許電路板上的其它子系統繼續工作。

　　實現設計的一種方式是開始用一個或多個'標準'的電源管理集成電路，支持所需的單個功能，然后再設計一個協調它們運作的系統。根據協調的復雜性，實現可能是簡單的粘合邏輯，或復雜的微控制器和支持固件（圖2）。

　　圖2電源管理系統可以通過組合標準的電源管理集成電路與頂層控制功能來實現。雖然簡單設計是可行的，當人們試圖提供獨立控制器的各種功能和接口需求時，這種方法很快變得無法控制。

　　雖然這種ad-hoc方式可能會形成一個有用的設計，但是可能由于未使用的功能和復制的功能，以及大的封裝而造成不必要的費用。此外，即使最終能夠與微控制器相協調，這種解決方案的硬連線的性質會使人難以逐步修改設計來解決問題，或支持產品的遷移。

　　面向系統的方法

　　取代從一個或多個預先定義的控制器集成電路實現電源管理系統的方法，更有效的方法是首先考慮需要那些基本功能，以支持電源管理系統。這些功能可以分為支持硬件測量和控制的資源，支持時序和組合處理創建的邏輯運算。表1列出了需要實現電源管理的最常見的部分功能。

　　表1 通用電源管理功能