計(jì)算機(jī)外設(shè)的電源管理

標(biāo)準(zhǔn)化的要求

通過(guò)附加外設(shè)來(lái)擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的功能時(shí)，需要使用標(biāo)準(zhǔn)接口才能實(shí)現(xiàn)不同廠商應(yīng)用的全部功能。使用無(wú)線通信增加臺(tái)式機(jī)的功能，或者通過(guò)使用更多的內(nèi)存條來(lái)增加筆記本電腦的內(nèi)存，這些方法使得低價(jià)的入門級(jí)計(jì)算機(jī)可以升級(jí)或根據(jù)個(gè)人需要進(jìn)行添減。20世紀(jì)90年代初，個(gè)人電腦附加卡標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)使得不同供應(yīng)商的內(nèi)存條都可以用到筆記本電腦上。PCMCIA（個(gè)人計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)卡國(guó)際協(xié)會(huì)）的成立規(guī)范了接口標(biāo)準(zhǔn)，允許使用閃存或硬盤驅(qū)動(dòng)器等插入式附加卡來(lái)擴(kuò)展筆記本電腦內(nèi)存。許多其他廠商自然很快就意識(shí)到，他們的專用功能也可以通過(guò)PCMCIA卡添加到這些設(shè)備上。
存儲(chǔ)、通信和游戲應(yīng)用等方面制造商加入了PCMCIA，理解這個(gè)接口標(biāo)準(zhǔn)或?qū)@個(gè)標(biāo)準(zhǔn)施加影響，使筆記本電腦可以使用他們的器件。隨著主機(jī)系統(tǒng)和卡應(yīng)用的多樣化，設(shè)計(jì)師們很快就發(fā)現(xiàn)需要慎重考慮卡的工作和啟動(dòng)電源要求，防止供電和系統(tǒng)故障。例如，許多應(yīng)用所需的磁盤驅(qū)動(dòng)器馬達(dá)啟動(dòng)或電源保持電容是一個(gè)潛在的問(wèn)題。它們可能會(huì)導(dǎo)致很大的浪涌電流，使得主機(jī)電源過(guò)載，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或超過(guò)主機(jī)供電MOSFET電源開(kāi)關(guān)的安全工作區(qū)（SOA）。PCMCIA標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)需要解決的問(wèn)題包括電壓、電流（包括浪涌電流）和定序。雖然PCMCIA早已解散，其標(biāo)準(zhǔn)化的電源供電規(guī)范現(xiàn)在仍在其他各種附加卡中使用，包括取代PCMCIA卡的PC卡。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
類似PC卡，PCI Express（PCIe）解決了PC中附加卡的電源要求。并且適用同樣的電源供電考慮，類似PC卡，PCIe卡也可以生成次級(jí)電壓，根據(jù)不同的應(yīng)用，需要定序和監(jiān)測(cè)。此外，仍需使用外設(shè)來(lái)預(yù)防浪涌電流，而其輸入電容循環(huán)充放電，相當(dāng)于添加和移除外設(shè)。電源管理已經(jīng)從由分立邏輯電路和ASIC控制器實(shí)現(xiàn)的MOSFET開(kāi)關(guān)，控制一個(gè)或兩個(gè)電壓，發(fā)展到ASSP，如熱插拔/軟啟動(dòng)控制器、電源定序器和跟蹤器、電壓監(jiān)控器、復(fù)位發(fā)生器和看門狗定時(shí)器。然而，隨著不同應(yīng)用需要不同的組合和不同版本的ASSP，全面的電源管理設(shè)計(jì)可能會(huì)昂貴而且復(fù)雜。由于有來(lái)自許多不同的廠商提供的數(shù)百種器件，選擇正確組合的器件可能是十分艱巨的任務(wù)。因而，設(shè)計(jì)師們常常會(huì)簡(jiǎn)化他們的電源管理設(shè)計(jì)，無(wú)視某些可能出現(xiàn)的故障情況或者假設(shè)某種特定的序列會(huì)一直出現(xiàn)。舉一個(gè)例子，一個(gè)電源管理設(shè)計(jì)僅監(jiān)測(cè)輸入電源電壓，然后通過(guò)一個(gè)穩(wěn)壓器電壓正常來(lái)使能下一個(gè)穩(wěn)壓器，從而實(shí)現(xiàn)其他次級(jí)電壓的上電。可以肯定的是，這種方法不需要獨(dú)立的定序器和多個(gè)高精度電壓監(jiān)測(cè)器來(lái)監(jiān)視每個(gè)電壓，從而降低了成本和復(fù)雜性。但是，盡管這種順序上電的方法降低了成本和復(fù)雜性，電源故障的響應(yīng)時(shí)間可能顯著延遲，這將導(dǎo)致嚴(yán)重的數(shù)據(jù)損壞，產(chǎn)生不完整的數(shù)據(jù)包并且破壞已經(jīng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

圖1——PCIe電源需求

PCIe為各種插槽定義了電壓、電流和卡輸入電容。圖1顯示了PCIe規(guī)范，定義了+12 V和3.3 V電源和容限、容性負(fù)載和最大電流，包括不同的卡的浪涌電流。PCIe還支持熱插拔卡，需要仔細(xì)考慮限制熱插拔卡的啟動(dòng)電壓擺率。應(yīng)使用電壓監(jiān)控器監(jiān)測(cè)輸入電源，以確定電壓擺率的限制。雖然PCIe不指定電源上電時(shí)序，一個(gè)使用次級(jí)電源的獨(dú)立應(yīng)用可能需要復(fù)雜的時(shí)序。

圖2——PCIe啟動(dòng)波形

圖2顯示了一個(gè)PCIe卡的啟動(dòng)時(shí)序。箭頭所示的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是在卡插入后的100ms周期內(nèi)，12V和3V電源穩(wěn)定。100ms后，該卡通過(guò)PCIe總線主機(jī)發(fā)出PERST#高電平信號(hào)使能。通常100ms時(shí)間太短，不足以完成卡上次級(jí)電源上電和大型FPGA、ASIC和其他配置器件的初始化。通常需要脈沖展寬或PERST#信號(hào)延遲來(lái)滿足每塊板的需求。

圖3——斷電波形

圖3顯示了一個(gè)PCIe卡的斷電時(shí)序。PERST#初始化關(guān)斷，使器件能夠以可控的方式在供電電源衰減之前斷電。如果卡在插槽通電時(shí)突然拔出，器件將突然斷電，這可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。因而，應(yīng)當(dāng)小心設(shè)計(jì)電路板，使它們能夠處理突然的拔出并以可控的方式使電路板斷電。