標準化可編程電源管理——勢在必行的現(xiàn)代電路板設(shè)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(guān)功能包括：

- 為電路板供電選擇不同的DC-DC 轉(zhuǎn)換器；

- 電源的上電順序控制/跟蹤；

- 電壓監(jiān)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(zhuǎn)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(shè)置)和調(diào)節(jié)；

- 生成所有相關(guān)的電源狀態(tài)和控制邏輯信號，即復(fù)位信號生成、電源故障指示(監(jiān)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(xiàn)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(guān)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(jiān)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(jiān)督功能。

復(fù)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(wěn)定之后，一些處理器需要復(fù)位信號在一段延長的時間段內(nèi)保持有效。這也被稱為復(fù)位脈沖展寬。復(fù)位發(fā)生器的功能是在電源出現(xiàn)故障期間保持處理器處于復(fù)位模式，以防止因疏忽大意造成板上閃存受到破壞。

傳統(tǒng)的電源管理解決方案的局限性

傳統(tǒng)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(xiàn)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(yīng)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(fù)位發(fā)生器IC 的元器件編號，必須提供下列信息：

- 復(fù)位發(fā)生器IC 將要監(jiān)測的電源電壓的數(shù)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(fù)位脈沖進行編程展寬的能力；

- 手動復(fù)位輸入；

為了解決這些變量的所有可能變化，僅僅一個復(fù)位發(fā)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(yīng)商當中的一家。如果在設(shè)計的過程當中-照現(xiàn)在的樣子很可能-工程師需要添加另外一個被監(jiān)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(jiān)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(tǒng)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(fù)雜度

如果單一功能電源管理IC 的使用曾經(jīng)是可管理的話，那個時代一去不復(fù)返了。目前，大多數(shù)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(shè)計工程師常常被要求經(jīng)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(shù)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(fù)雜。

隨著電路板越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的電源管理解決方案變得越來越不實用。目前，采用傳統(tǒng)的單一功能IC來實現(xiàn)電源管理功能的設(shè)計工程師，要么不得不犧牲電源的一些監(jiān)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(shù)量增長以及它們的相關(guān)互連，不僅僅增加了電路板的面積，從統(tǒng)計的角度看，而且降低了電路板的可靠性。例如，裝配出現(xiàn)差錯的可能性有增加的趨勢，從而導(dǎo)致不可預(yù)測(并且總是令人不愉快的)的結(jié)果。

備用貨源和折衷設(shè)計

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

提高系統(tǒng)的成本

安裝和測試的成本隨著系統(tǒng)中所采用的元器件的數(shù)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(shù)量。因為在給定的系統(tǒng)中存在許多需要的元器件，要用較少數(shù)量的每一類型元器件來構(gòu)建系統(tǒng)，(否則的話)就會增加整個系統(tǒng)的成本。

例如，假設(shè)一個系統(tǒng)具有十塊電路板，每年的制造運行率為1000個系統(tǒng)。如果這十塊板中的每一塊都采用單一功能IC來實現(xiàn)，那么，要完成設(shè)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(dǎo)致電源管理系統(tǒng)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(shù)字設(shè)計工程師就采用TTL門來實現(xiàn)邏輯功能，傳統(tǒng)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(xiàn)的。隨著電路板復(fù)雜度的增加，設(shè)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(shù)量。毫不奇怪，那時候用來進行系統(tǒng)設(shè)計的TTL器件快速增加。

可編程邏輯器件(PLD)的出現(xiàn)使工程師能夠在電路板的給定單位面積內(nèi)實現(xiàn)更多的功能，與此同時，縮短上市時間。在系統(tǒng)中所采用的元器件的數(shù)量被減少了，從而導(dǎo)致整體系統(tǒng)的成本進一步降低。同樣的PLD器件可以被用于多個設(shè)計，從而減少了系統(tǒng)中所采用的器件的數(shù)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(shè)計，從而減少或甚至取消了對備用貨源的需求。設(shè)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(shè)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(yīng)用。當今復(fù)雜電路板的設(shè)計需要"電源管理PLD"。的確，在電路板設(shè)計中采用這樣的器件已經(jīng)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(xiàn)的電路板電源管理功能?？删幊屉娫垂芾砥骷枰删幊棠M和數(shù)字部分以便于集成多個傳統(tǒng)的單功能電源管理器件。設(shè)計工程師可以配置可編程模擬部分以監(jiān)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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