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(kuò)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(fù)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(fù)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(jìn)行擴(kuò)展以滿足越來越復(fù)雜的負(fù)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(kuò)展性，而且能以更低的BOM成本實(shí)現(xiàn)。為了便于瞭解分散式架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)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(shí)現(xiàn)時序演算法產(chǎn)生‘Enable’訊號用于負(fù)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(fù)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(fù)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(shí)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(hù)和控制功能均使用CPLD實(shí)現(xiàn)，通常以VHDL或Verilog編寫。
優(yōu)點(diǎn)：
? 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(jìn)行調(diào)整
? 使用一種設(shè)計環(huán)境(常用Verilog)即可實(shí)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(diǎn)：
? 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(shí)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(yàn))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(jìn)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(fù)責(zé)為電路板的DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行監(jiān)控和定序(圖3)。因?yàn)殡娫垂芾鞩C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(shí)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(diǎn)：
? 減少CPLD的I/O數(shù)量，因?yàn)?lsquo;Enable’功能可由電源管理IC執(zhí)行
? 電路板空間更寬裕，得以實(shí)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(diǎn)：
? 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(shí)現(xiàn)內(nèi)務(wù)處理，并以PMBus實(shí)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(fù)載點(diǎn)(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(fù)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(fù)載點(diǎn)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(shí)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(diǎn)，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(hù)措施。
實(shí)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(diǎn)：
? 設(shè)計十分易于進(jìn)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(jìn)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(diǎn)：
? 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(xiàng)缺點(diǎn)：(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(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)(圖5)。
圖5：使用配備晶片上ADC的CPLD實(shí)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(diǎn)：
? 該解決方案十分易于進(jìn)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(yuǎn)端系統(tǒng)管理器提供電壓遙測功能
缺點(diǎn)：
? 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(shí)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(kuò)展器。它可與CPLD(如萊迪思的低成本MachXO2系列)配合使用，以實(shí)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(jìn)行劃分。
圖6：L-ASC10遠(yuǎn)端感測和控制元件
每一條類比感測通道都可透過兩個獨(dú)立的可程式比較器進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)。
優(yōu)點(diǎn)：
? 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(jìn)行開發(fā)
? 分散式架構(gòu)是高度可擴(kuò)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(biāo)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(shí)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(jìn)行建置。
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