標準化可編程電源管理——勢在必行的現代電路板設計

什么是電路板電源管理？

電路板電源管理常常涉及給電路板供電的各個不同方面，一些常見的相關功能包括：

- 為電路板供電選擇不同的DC-DC 轉換器；

- 電源的上電順序控制/跟蹤；

- 電壓監測；

- 所有上述選項；

在本文中，電源管理被簡單地定義為對在電路板上的所有電源的管理(包括DC-DC 轉換器、LDO 等等)。電源管理包括下列功能：

- 管理電路板的DC-DC 控制器，即熱插拔、軟啟動、上電順序控制、跟蹤、極限(設置)和調節；

- 生成所有相關的電源狀態和控制邏輯信號，即復位信號生成、電源故障指示(監視)和電壓測量；

圖1 描述了利用CPU 或微處理器在電路板上實現的典型電源管理功能。

圖1：在電路板上的典型電源管理功能。

熱插拔/軟啟動控制功能-被用于限制涌入的電流，以減輕突然施加在電源上的負載。這對要插入工作中背板的電路板是一個重要的功能。

電源上電順序控制和跟蹤功能-控制多個電源的打開/關閉，與此同時，滿足電路板上所有器件的上電順序控制的要求。

所有電源電壓的故障都受到監控(過壓和低壓)，以把正在迫近的電源故障通知處理器。這種功能也被稱為監督功能。

復位生成功能為上電的處理器提供一種可靠的啟動。在所有施加在處理器上的電源穩定之后，一些處理器需要復位信號在一段延長的時間段內保持有效。這也被稱為復位脈沖展寬。復位發生器的功能是在電源出現故障期間保持處理器處于復位模式，以防止因疏忽大意造成板上閃存受到破壞。

傳統的電源管理解決方案的局限性

傳統上，電路板上的每一個電源管理功能都是利用單獨的單一功能IC 來實現的。這些IC針對每一個電源電壓組合都具有單獨的元器件編號，因此，為了滿足多個電源管理的需求，來自不同供應商的各種單一功能IC 就有幾百個元器件編號。

例如，為了選擇復位發生器IC 的元器件編號，必須提供下列信息：

- 復位發生器IC 將要監測的電源電壓的數量；

- 各種電源電壓的組合(3.3V,2.5V,1.2V 或3.3V,2.5V, 1.8V 等等)；

- 故障檢測電壓(3.3V-5%, 3.3V-10%等等)；

- 精度(3%, 2%, 1.5%)；

- 利用外加電容對復位脈沖進行編程展寬的能力；

- 手動復位輸入；

為了解決這些變量的所有可能變化，僅僅一個復位發生器IC 就需要幾百個器件編號，何況那僅僅是來自幾家供應商當中的一家。如果在設計的過程當中-照現在的樣子很可能-工程師需要添加另外一個被監測電壓，那么，就不得不選擇增加一個不同的器件編號。類似地，針對各種單一功能IC-熱插拔、電源上電順序控制器和電壓監控器/檢測器-的每一個變化，各個單一功能IC 都具有許多器件編號。具有多塊電路板的系統中的每一塊電路板都將需要這些單一功能IC 的不同集合，從而增加了物料單(BOM)的成本。

增加電路板的復雜度

如果單一功能電源管理IC 的使用曾經是可管理的話，那個時代一去不復返了。目前，大多數電路板通常采用若干多電壓器件，每一個都滿足電源上電順序控制的要求。隨著工作電流的增加，較小幾何尺寸的三極管需要較低的電源電壓。設計工程師常常被要求經由多電壓IC 使用一個負載電源點，因此，電路板中所使用的電源的數量與日俱增。隨著電源軌的增加，并伴隨著對多個上電順序控制的要求，電源管理變得越來越復雜。

隨著電路板越來越復雜，傳統的電源管理解決方案變得越來越不實用。目前，采用傳統的單一功能IC來實現電源管理功能的設計工程師，要么不得不犧牲電源的一些監測功能，要么得針對每一個電源管理功能采用多個單一功能的器件。這兩種可供選擇的方案都是不可接受
的。

增加電路板面積并降低可靠性

單一功能IC 的數量增長以及它們的相關互連，不僅僅增加了電路板的面積，從統計的角度看，而且降低了電路板的可靠性。例如，裝配出現差錯的可能性有增加的趨勢，從而導致不可預測(并且總是令人不愉快的)的結果。

備用貨源和折衷設計

如果從不同的供應商選擇各種單一功能器件，當恰好一個元器件斷貨時，生產被延遲的風險就越來越大，因此，這就導致要建立備用貨源。然而，備用貨源反過來讓設計工程師手上可用的元器件減少了，從而迫使設計工程師就電路板上的故障覆蓋進行折衷。

提高系統的成本

安裝和測試的成本隨著系統中所采用的元器件的數量呈正比而增加。元器件的成本反比例于所獲得的單元的數量。因為在給定的系統中存在許多需要的元器件，要用較少數量的每一類型元器件來構建系統，(否則的話)就會增加整個系統的成本。

例如，假設一個系統具有十塊電路板，每年的制造運行率為1000個系統。如果這十塊板中的每一塊都采用單一功能IC來實現，那么，要完成設計可能將需要十種不同的單一功能IC。這些單一功能IC 的年運行率為每年1000。與所有電路板都采用一種多功能電源管理IC的解決方案相比，10,000片IC的價格將當然高于10,00片的價格，從而導致電源管理系統成本的增加。

TTL與PLD的類比：似乎像往日時光

回憶往事，上世紀80年代的時候，那時數字設計工程師就采用TTL門來實現邏輯功能，傳統的電源管理解決方案是采用多個單一功能的IC器件來實現的。隨著電路板復雜度的增加，設計工程師被迫選擇固定功能的ASIC或增加電路板上所采用的TTL器件的數量。毫不奇怪，那時候用來進行系統設計的TTL器件快速增加。

可編程邏輯器件(PLD)的出現使工程師能夠在電路板的給定單位面積內實現更多的功能，與此同時，縮短上市時間。在系統中所采用的元器件的數量被減少了，從而導致整體系統的成本進一步降低。同樣的PLD器件可以被用于多個設計，從而減少了系統中所采用的器件的數量。各個公司在若干PLD器件上進行標準化，因而不必針對每一個電路板折衷所需要的功能。

管理較少的PLD器件遠遠比管理大量的TTL門要容易。同樣的PLD器件可以被用于多個電路板設計，從而減少或甚至取消了對備用貨源的需求。設計工程師可以在把PLD安裝到電路板上之前，在軟件中做仿真設計，從而提高了第一時間取得成功的可能性。

目前，利用單一功能電源管理IC就類似于過去人們對TTL門的應用。當今復雜電路板的設計需要"電源管理PLD"。的確，在電路板設計中采用這樣的器件已經到了勢在必行的地步。

可編程電源管理解決方案

圖2所示為利用單一可編程電源管理器件實現的電路板電源管理功能。可編程電源管理器件需要可編程模擬和數字部分以便于集成多個傳統的單功能電源管理器件。設計工程師可以配置可編程模擬部分以監測各個電源電壓的組合，而不必采用特殊配置的、工廠編程的單功能器件。

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