[數(shù)字電源系列文章]數(shù)字電源排序

電源轉(zhuǎn)換的構(gòu)件

讓我們來(lái)看一下自己的電源構(gòu)件和工具，并了解我們會(huì)給自身帶來(lái)何種類型的麻煩。為簡(jiǎn)單起見，我們假定擁有一個(gè)通用的電源構(gòu)件(UPB)以及所有常見的“麻煩制造者”(例如：FPGA和微控制器、以及邏輯器件等)。我們的UPB具有一個(gè)簡(jiǎn)單的接口：

圖1：電源構(gòu)件。

我們簡(jiǎn)單的電源轉(zhuǎn)換器具有單個(gè)VIN/VOUT、一個(gè)PMBus接口、一個(gè)輸入信號(hào)(CONTROL)、以及兩個(gè)輸出信號(hào)(POWER GOOD和FAULT/)。

CONTROL

CONTROL信號(hào)負(fù)責(zé)輸出的接通和關(guān)斷。其為高電平有效，并具有一個(gè)內(nèi)部上拉電阻器。

POWER GOOD

POWER GOOD信號(hào)在輸出通電時(shí)為高電平，而且它處于有效范圍之中。

FAULT/

FAULT/信號(hào)為低電平有效，開路漏極，并在電源構(gòu)件具有某種故障時(shí)被置為有效。如果存在某種故障，則ALERT/被置為有效，并且可以通過(guò)PMBus讀取故障信息。不是所有的電源轉(zhuǎn)換器都將具有一個(gè)POWER GOOD和一個(gè)FAULT/，我們不需要兩者兼?zhèn)?。幾乎在每種場(chǎng)合中，F(xiàn)AULT/皆可作為POWER GOOD的“替身”。

設(shè)計(jì)方案一

現(xiàn)在我們來(lái)設(shè)計(jì)某種方案，這樣就可以將之拆解并設(shè)計(jì)另一種方案，從而一次比一次做得更好。

假設(shè)我們有一個(gè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有一個(gè)中間總線控制器(IBC)和以下的電源軌：48V、19V、5.0V、3.3V、1.2V、0.8V。

我們決定把這些電源軌構(gòu)造為一種層級(jí)體系。不過(guò)，我們需要一種用于上電的不同控制結(jié)構(gòu)。

圖2：簡(jiǎn)單的電源結(jié)構(gòu)。

對(duì)于實(shí)際的設(shè)計(jì)，不要擔(dān)心電源層級(jí)體系或邏輯是否正確。要緊的是這種結(jié)構(gòu)“類型”所產(chǎn)生的影響。我們來(lái)研究一下其優(yōu)缺點(diǎn)。

從好的方面來(lái)說(shuō)，不管是在原理上還是對(duì)于實(shí)現(xiàn)，它都是很簡(jiǎn)單的。添加LED指示器或者利用一個(gè)FPGA或微處理器的GPIO來(lái)讀取電源良好信息將非常容易。如果出現(xiàn)故障情況，POWER GOOD將讓系統(tǒng)知道某個(gè)電源軌發(fā)生了故障。

從壞的方面來(lái)說(shuō)，假如存在某種故障，而且倘若系統(tǒng)必須關(guān)斷所有的電源，那么就必須按照與其上電時(shí)相同的順序把它們逐個(gè)關(guān)斷(別無(wú)選擇)。這意味著，位于最下游的電源軌將由于失去電源而斷電，而不是通過(guò)其控制引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)斷電。

由于沒有定時(shí)控制，因此將不得不增添額外的電路以在電源軌之間安置延遲。如果在電源軌之間添加一個(gè)延遲，則該延遲將僅適用于上電，因?yàn)橐粋€(gè)饋電電源軌上的電源將在斷電時(shí)丟失，因而將在POWER GOOD信號(hào)可以使其關(guān)斷之前關(guān)斷其所依賴的電源軌。

對(duì)于這種結(jié)構(gòu)“類型”，如果您出現(xiàn)任何錯(cuò)誤，那么將必需進(jìn)行PCB的重新布局，而且在等待的過(guò)程中，您將被迫修改設(shè)計(jì)中的導(dǎo)線(別無(wú)選擇)，或者去“享受”漫長(zhǎng)的休息時(shí)間。

設(shè)計(jì)方案二

如果我們將邏輯電路集中管理，就能做得更好。一個(gè)可編程器件(例如：FPGA或微處理器)能夠管理所有的邏輯電路。

通過(guò)把所有的邏輯線路均排布至GPIO，控制器即可實(shí)現(xiàn)針對(duì)排序順序(接通和關(guān)斷)以及定時(shí)操作的全面控制。其可在希望改變Verilog或C代碼時(shí)隨時(shí)變更。我已經(jīng)標(biāo)示了控制器上的PMBus(但并未繪出所有的接線)，而利用PMBus，控制器現(xiàn)在還能控制電平和故障行為特性。

圖3：采用控制器的電源結(jié)構(gòu)。

就優(yōu)點(diǎn)而言，該設(shè)計(jì)具有靈活性，而且您不會(huì)陷入焦頭爛額的困境。假如您在控制結(jié)構(gòu)中出錯(cuò)，無(wú)需重新布局即可加以修復(fù)。

就缺點(diǎn)來(lái)說(shuō)，您不得不改變Verilog或C，而且有可能需對(duì)固件重新實(shí)施測(cè)試和鑒定。另外，這種設(shè)計(jì)還必需進(jìn)行大量的布線。每個(gè)POL需要5根控制線，而且它們單獨(dú)地排布至控制器。假設(shè)我們有一個(gè)20軌系統(tǒng)，由于PMBus的原因，將需要42個(gè)GPIO引腳。

所以，這種設(shè)計(jì)雖然具有靈活性，但需要很多的GPIO并占用大量的PCB面積資源。

設(shè)計(jì)方案三

當(dāng)與PMBus及智能數(shù)字電源POL組合時(shí)，我們可以采用開路漏極控制的特性來(lái)簡(jiǎn)化控制器。

所有的CONTROL引腳連接在一起，而所有的FAULT/引腳連接在一起。這意味著一個(gè)20軌系統(tǒng)只需要5根接線，從而使IO引腳的數(shù)目減少了8倍。

圖4：簡(jiǎn)化的控制器。

讓我們來(lái)看看這是怎樣奏效的。CONTROL引腳為高電平有效。其受控于GPIO0(這被設(shè)定為“開路漏極”)。由于CONTROL引腳為開路漏極，這意味著POL也可將其拉至低電平。

當(dāng)POL復(fù)位時(shí)，它將把CONTROL引腳拉至低電平，直到其準(zhǔn)備好響應(yīng)一個(gè)外部信號(hào)為止。這意味著倘若控制器速度過(guò)快，則不會(huì)有任何一個(gè)POL接通(直到它們?nèi)空_復(fù)位為止)，而且系統(tǒng)何時(shí)上電取決于最慢的POL復(fù)位。如果控制器速度較慢，則其在釋放CONTROL線時(shí)負(fù)責(zé)控制上電。

您可能對(duì)排序感到困惑不解。我們失去對(duì)它的控制了嗎？不，沒有，因?yàn)镻MBus具有一個(gè)TON_DELAY命令，而且其數(shù)值一般存儲(chǔ)在POL的非易失性存儲(chǔ)器(NVM)中。它可由控制器來(lái)設(shè)定，也可以采用一種外部工具存儲(chǔ)于NVM中。

FAULT/引腳亦為開路漏極并受控于GPIO1，而且它們既是輸入也是輸出。這意味著當(dāng)出現(xiàn)任何電源軌故障時(shí)，所有的電源軌都將在FAULT引腳被拉至低電平時(shí)得到通知。而且，當(dāng)FAULT/被拉至低電平時(shí)，ALERT/被置為有效。于是，控制器獲知存在某種故障。眾人皆知，這款設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處便在于此。

現(xiàn)在，關(guān)于故障處理您可以有幾種選項(xiàng)。PMBus能夠利用一個(gè)報(bào)警響應(yīng)地址(ARA)來(lái)響應(yīng)ALERT/，這可獲得所有具某種故障之POL的地址，并隨后查詢每個(gè)POL以了解故障信息。接著，其可采用一個(gè)決策樹并按照需要以任何順序關(guān)斷電源軌?；蛘?，它也可以立即關(guān)斷全部的電源軌，而讓PMBus TOFF_DELAY來(lái)管理定時(shí)。

許多POL具有增強(qiáng)型故障管理功能，并可直接響應(yīng)故障(請(qǐng)記住，F(xiàn)AULT/也是一個(gè)輸入)。典型響應(yīng)為：

? 重試

? 立即關(guān)斷

? 斜坡關(guān)斷

當(dāng)POL具備這些高級(jí)特性時(shí)，Verilog或C代碼的工作負(fù)荷就會(huì)大大減輕，因?yàn)镻OL可利用一種外部工具(通過(guò)PMBus和外部接口及軟件)來(lái)編程。此外，當(dāng)采用FAULT/引腳時(shí)，針對(duì)故障的響應(yīng)速度要比處理ALERT/的響應(yīng)速度快得多。

設(shè)計(jì)方案三的權(quán)衡折衷

如果有了增強(qiáng)型的POL，即可實(shí)施權(quán)衡取舍。假如故障邏輯對(duì)于共用的FAULT/線來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜，則只需增添一個(gè)控制器。如果故障邏輯很簡(jiǎn)單，那么可以采用一種工具來(lái)配置故障行為特性，且不必使用控制器?；蛘撸部梢允褂靡粋€(gè)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端采樣和其他功能，但采用FAULT/引腳來(lái)執(zhí)行故障處理。而且，假如發(fā)現(xiàn)其不能處置所有的故障情況，您始終能夠增添用于故障處理的代碼并加以變更。對(duì)于CONTROL引腳采取了相似的折衷方案。您還可以采用PMBus取而代之。在該場(chǎng)合中，CONTROL引腳仍將推遲接通，直到所有的POL均已完成復(fù)位為止。

當(dāng)CONTROL和FAULT引腳共用、且有一個(gè)用于PMBus的控制器時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最大的靈活性。利用這種設(shè)計(jì)，在PCB制作完成之后可具有全面的靈活性。

電源良好(Power Good)

可能您沒有注意到，我并未使用POWER GOOD。某個(gè)電源軌什么時(shí)候處于良好狀態(tài)，關(guān)于這一點(diǎn)您在接通另一個(gè)電源軌之前無(wú)需知曉。如果全部電源軌由TON_DELAY控制，而一個(gè)未能及時(shí)處于就緒狀態(tài)，則將發(fā)生某種故障。PMBus規(guī)定了TON_MAX_FAULT_LIMIT，這限定了某一電源軌必須在多長(zhǎng)的時(shí)間里斜坡上升并進(jìn)入容差范圍之內(nèi)。倘若某個(gè)電源軌到這個(gè)時(shí)候尚未處在規(guī)格指標(biāo)之內(nèi)，則將出現(xiàn)故障，從而阻止其他電源軌接通。

設(shè)計(jì)原理是：沒有消息就是好消息。如果系統(tǒng)需要知道什么時(shí)候全部電源軌都已上電，則只需把一個(gè)簡(jiǎn)單的定時(shí)器設(shè)定至由所有TON_DELAY規(guī)定的最長(zhǎng)時(shí)間即可?；蛘?，控制器也可執(zhí)行最后一個(gè)POL之狀態(tài)的PMBus查詢。

在某些器件中，可以把FAULT/引腳重新配置為POWER GOOD引腳。這使得您能夠在真正需要的時(shí)候擁有POWER GOOD，但將失去故障信息共享(fault sharing)引腳。于是，您可能希望有一個(gè)控制器來(lái)響應(yīng)ALERT/。或者，在較為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中，ALERT/有可能奪取CONTROL引腳的功能，并在出現(xiàn)某種故障時(shí)關(guān)斷所有的電源軌。

在實(shí)際當(dāng)中，POWER GOOD通常并不是必不可少的。不過(guò)，假如您真的需要