利用SOC構建塊實現(xiàn)電源監(jiān)控

電源監(jiān)控器的作用是控制系統(tǒng)的負載點（POL）以使電源軌滿足規(guī)范要求。POL可以是模擬也可以是數(shù)字的，這取決于輸出信號的類型。本文描述了如何使用SoC實現(xiàn)電源監(jiān)控的基本實現(xiàn)方法。為更好地說明關鍵實現(xiàn)原理，我們以采用賽普拉斯片上可編程系統(tǒng)（PSoC）的應用為例。PSoC可與模擬/數(shù)字POL協(xié)同工作。電源監(jiān)控器的主要特性包括如下：

1. 啟用穩(wěn)壓器/電源
2. 監(jiān)控電壓或電流的電源軌
3. 調節(jié)（修整）電源電流
4. 故障處理與記錄
5. 主機通信

整個系統(tǒng)的方框圖包含圖1所示的如下功能。

圖1.電源監(jiān)控器系統(tǒng)

讓我們看一下最簡單的電源監(jiān)控結構并在此基礎上了解整個系統(tǒng)。在最簡單的電源監(jiān)控結構中，微控制器負責監(jiān)控Power-Good（PGood）輸出并決定應該啟用還是禁用DC-DC轉換器。微控制器可以監(jiān)控多個輸出并按順序適當?shù)貑⒂茫ㄉ想姡┗蚪茫〝嚯姡┺D換器。該功能由PSoC中的電壓定序器（VS）組件執(zhí)行。該組件位于PSoC Creator IDE內(nèi)部，可對硬件和固件進行分組以實現(xiàn)特定功能。PSoC組件在本文中被多次提到，可被視為大芯片中的“虛擬芯片”。

圖1給出了僅含電壓定序功能的基本電源監(jiān)控結構，大部分微控制器都提供這層功能。電壓定序還包括根據(jù)多個先決條件和精確時序來實現(xiàn)電源軌等更多功能。要實現(xiàn)這些更高級別的功能，需要采用額外設計進行時序分析。為了便于理解，圖2中的實例只顯示了一條電源軌。需注意的是當前系統(tǒng)中的每個電路板可能需要20多條電源軌。每個SoC芯片可支持多達32條電源軌，是專用標準產(chǎn)品（ASSP）當前專用電源監(jiān)控結構的3倍以上。

圖2.電源軌的使能與排序大部分設計人員都不希望僅僅依靠簡單的、具有硬編碼閾值的DC-DC轉換器PGood信號。因此通常需要根據(jù)不同電源軌的電壓和/或電流情況控制DC-DC轉換器的使能引腳。這就要求使用ADC和相關邏輯來控制使能引腳。為了實現(xiàn)這一功能，我們使用電源監(jiān)控器（PM）組件來監(jiān)控不同線路的電壓和電流，并為每條線路提供狀態(tài)輸出。這些狀態(tài)線路與控制使能信號的電壓定序器相連接。該設計的方框圖如圖3所示，其中包含了電源監(jiān)控器。具備精確ADC并能夠使用數(shù)字邏輯的SoC能夠實現(xiàn)這種功能。ADC可用來捕獲電壓值，然后根據(jù)固件中預先設定的電壓電平來生成PGood信號。

既可利用支持電流測量的微控制器來實現(xiàn)電流監(jiān)控，又可采用分流電阻并測量電阻電壓的方法來推導出電流值，進而實現(xiàn)電流監(jiān)控。對于PSoC器件而言，電流測量實際上就是測量分流電阻上的電壓，PM電壓和電流測量的精確度為0.26%。由于電壓輸出已經(jīng)通過PM測得，因此電流測量只需添加一個引腳，這些引腳被稱為電流測量引腳。

圖3.電源監(jiān)控與電壓定序器

帶有ADC和固件的電源監(jiān)控器可提供眾多高級特性，諸如記錄在發(fā)生故障時EEPROM中的電壓和電流值等等。然而實現(xiàn)這些功能會引起CPU時延，需在任務關鍵型應用中引起重視。為了解決這個問題，可以利用比較器和DAC等硬件模塊實現(xiàn)完整的硬件電壓故障檢測（VFD）組件?？梢圆捎秒妷?strong>數(shù)模轉換器（VDAC）來設置硬件中的過壓（OV）和欠壓（UV）閾值。如果SoC有多個支持硬件故障檢測的DAC，那么可通過專用硬件完成每個電源軌的設置。在可編程微控制器（如PSoC）中，同一硬件經(jīng)過配置后也能實現(xiàn)這種功能，方法是通過直接存儲器訪問（DMA）組件并用所需的連接和參數(shù)值設置DAC和比較器。

硬件故障檢測器和電源監(jiān)控器的Pgood信號可以通過整合得到電壓定序器的Pgood信號，如圖4所示。

圖4.添加硬件故障檢測

目前討論的所有模塊都可打開或在偏離所需電壓或電流時關閉電源線。有些情況下（例如調試或針對新要求進行調整），DC-DC轉換器的電壓輸出需要調整到新的水平。這個功能被稱為電源軌的修整或微調（TM）。修整功能主要用于那些生產(chǎn)后需要進行現(xiàn)場調整的系統(tǒng)。產(chǎn)品生產(chǎn)完成后可能需要實時使用該功能。微調功能則用于在開發(fā)過程中或生產(chǎn)前對系統(tǒng)本身進行測試。該功能可用來在不同電壓極限下對系統(tǒng)性能進行測試、特性描述或驗證。

為實現(xiàn)這些功能，需根據(jù)要求將DC-DC轉換器的Vadj（電壓調整或電壓反饋）升高或降低。電源監(jiān)控器負責測量當前電壓值，而修整或微調電路則負責對新的電壓值進行調整。PWM-DAC可獲得修整電壓輸出，例如使用低通RC電路（外部）對PWM輸出進行濾波。假如我們想讓Vout低于其當前值，可以增加PWM占空比，從而增大Vadj值。這會導致DC-DC轉換器根據(jù)其Vadj引腳電壓情況降低其輸出電壓Vout。該功能既可以使用DAC來實現(xiàn)（如果有），也可以通過PMW并添加外部RC濾波器的方法來實現(xiàn)，如圖5所示。通過PWM-DAC實現(xiàn)該功能所獲得的精確度是0.60%。

圖5.添加修整和微調可將系統(tǒng)檢測到的故障存儲在非易失性存儲器中，以便于使用。本例中采用EEPROM存儲所有故障記錄，而采用閃存來保存用戶設置。

目前討論的所有數(shù)據(jù)和設置都能通過不同的通信形式供主機設備所用或進行配置。在電源監(jiān)控領域最受歡迎的協(xié)議當屬電源監(jiān)控總線（PMBus）協(xié)議。PMBus是一種建立在I2C通信接口上的系統(tǒng)管理通信協(xié)議。PMBus可用于獲得有關不同電力線的狀態(tài)、DC-DC轉換器的設置，以及由協(xié)議預先設定的眾多其它詳細指令等的信息。如需使用預定義PMBus協(xié)議以外的附加命令，還可以添加額外的自定義命令。PMBus可用于讀取全部狀態(tài)與組件參數(shù)，并重寫任意其它組件參數(shù)。這樣可便于客戶利用任何重編程技術對系統(tǒng)進行實時升級。在本實例中，PMBus協(xié)議構建在現(xiàn)有的I2C模塊之上，如圖6所示。除了PMBus組件外，完整的電源監(jiān)控解決方案還可配套提供PMBus主機仿真器GUI，用以支持系統(tǒng)設計與調試工作。

圖6.為電源監(jiān)控系統(tǒng)添加PMBus通信

所有模塊都以組件形式提供，如圖7所示。

圖7.所有模塊都以組件形式提供

本文介紹了構建電源監(jiān)控器系統(tǒng)所需的構建塊。應根據(jù)最終應用的不同，選擇使用所有或者部分模塊。您可以利用所選SoC以及本文所提到的模塊來構建自己的電源監(jiān)控器系統(tǒng)。使用基于SoC的系統(tǒng)所能實現(xiàn)的高級功能包括：溫度測量、風扇控制、單粒子翻轉（SEU）處理以及引導加載程序等。

參考資料：

● AN76474 - PSoC 3 電源監(jiān)控器
● 關鍵任務系統(tǒng)中的故障安全型電源監(jiān)控
● CY8CKIT-035 PSoC 電源監(jiān)控擴展開發(fā)套件

關于作者：

Archana Yarlagadda擁有田納西州大學（諾克斯維爾）的電氣工程碩士學位，現(xiàn)任賽普拉斯舊金山灣區(qū)的現(xiàn)場應用工程師。她對模擬和混合信號設計非常感興趣，并利用PSoC開發(fā)了眾多模擬傳感器接口。