優(yōu)化PCB設(shè)計的可編程電源管理方案

　　PCB電源管理一般來說是關(guān)于給PCB供電所涉及到的方方面面的。一些通常涉及的問題有：

　　1. 選擇各種DC-DC 轉(zhuǎn)換器為PCB供電；

　　2. 電源啟閉排序/跟蹤；

　　3. 電壓監(jiān)測；

　　4. 上述全部。

　　在本文中，電源管理被簡單定義為：對PCB上的全部電源實施管理(包括：DC-DC轉(zhuǎn)換器、LDO等)。電源管理包括如下功能：管理PCB上DC-DC控制器。例如，熱插拔、軟啟動、排序、追蹤、容限和規(guī)整；生成全部相關(guān)的電源狀態(tài)和控制邏輯信號。例如，復(fù)位信號生成、電源故障指示(監(jiān)控)和電壓管理。圖1演示了一個采用CPU或微處理器的PCB上的典型電源管理功能；熱插拔/軟啟動控制功能用于限制浪涌電流以減小電源的啟動負載。對插入有源(live)基板的PCB來說，這是個重要功能；電源排序和跟蹤功能用于在滿足PCB上的全部器件對上電順序要求的前提下，控制如何開/關(guān)多個電源。對所有電壓進行故障(過/欠壓)監(jiān)測以向處理器就即將發(fā)生的電源故障進行預(yù)警。該功能也被稱為“監(jiān)管功能”。

                        圖1：PCB上的典型電源管理功能。

　　在處理器上電時，復(fù)位生成功能為處理器提供可靠的啟動條件。有些處理器要求在處理器全部工作電源都穩(wěn)定后，復(fù)位信號仍保留一段時間。這也被稱為復(fù)位脈沖展延。復(fù)位發(fā)生器的功能是當(dāng)電源發(fā)生故障時，使處理器保持在復(fù)位模式以防止板上閃存發(fā)生不希望的錯誤。

　　傳統(tǒng)電源管理方案的局限性

　　傳統(tǒng)上，PCB上的每一電源管理功能是分別由單獨的功能IC實現(xiàn)的。對不同的電壓組合，這些IC有不同型號。這樣，就有來自不同廠家的數(shù)百個單一功能IC型號以滿足不同的電源管理需要。例如，為選擇一款復(fù)位發(fā)生器IC型號，必須提供以下信息：

　　1. 該復(fù)位發(fā)生器IC需監(jiān)測的電壓路數(shù)；

　　2. 電壓的組合(3.3、2.5、1.2或 3.3、2.5、1.8等)；

　　3. 故障檢測電壓的%(3.3V-5%、3.3V-10%等)；

　　4. 精度(3%、2%、1.5%等)；

　　5. 借助外接電容控制的復(fù)位脈沖展延功能；

　　6. 手動復(fù)位輸入。

　　為處理這些參數(shù)所有可能的變化，單就一個復(fù)位發(fā)生器IC來說，僅一家廠商就可有幾百個型號。另外，若在設(shè)計過程中，工程師需監(jiān)測另一個電壓(很可能)，則必須選另一個不同型號的產(chǎn)品。類似，許多單一功能IC即使僅就同一個功能、根據(jù)不同參數(shù)也會有許多型號，如熱插拔控制器、電源排序器和電壓監(jiān)測/檢測器等功能IC。一個由多塊PCB構(gòu)成的系統(tǒng)的每塊PCB都需要不同組的這些單功能IC，從而也增加的材料成本。

　　PCB設(shè)計的復(fù)雜性不斷增加

　　若單功能電源管理IC的使用曾經(jīng)還可管理的話，那也都是往事舊話了。許多PCB現(xiàn)一般使用若干多電壓器件，每個器件有不同的上電順序。工藝節(jié)點越精微的器件需要的電壓越低，但電流加大。設(shè)計師常常需要利用每個多電壓電源IC的一個負載點。這樣，PCB上使用的電源數(shù)將增加。隨著電源電壓回路的增加以及需多個排序管理，電源管理變得更復(fù)雜。

　　隨著PCB設(shè)計變得日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的電源管理方案變得更難以招架。目前，利用傳統(tǒng)單功能IC實現(xiàn)電源管理的設(shè)計師或不得不放棄監(jiān)測某些電壓或針對每一電源管理功能選用多個單功能器件。以下兩種方法都不可取。

　　1．加大了PCB面積降低了可靠性

　　單功能IC數(shù)的增加以及隨之而來的其間的互連不僅增加了PCB面積，從統(tǒng)計學(xué)的角度看，還降低了PCB的可靠性。例如，有可能增加組裝出錯概率，從而導(dǎo)致不可預(yù)見(肯定是不好)的結(jié)果。

　　2．第二供貨渠道以及設(shè)計妥協(xié)

　　若單功能器件是從不同供應(yīng)商處選購的，則增加了因哪怕只有其中一個器件不能按時到位而導(dǎo)致的生產(chǎn)延誤風(fēng)險。這又反過來導(dǎo)致對第二供貨渠道的需求。但，第二渠道會降低設(shè)計工程師的器件可用性，從而因這些拿不到手的器件迫使設(shè)計師不得已犧牲PCB的故障監(jiān)控覆蓋范圍。

　　組裝和測試費用與系統(tǒng)中所用的器件數(shù)成正比。而器件單位成本與購買批量成反比。因在一個給定系統(tǒng)中需要許多器件，而構(gòu)造系統(tǒng)所需的每種器件都變少，所以增加了總體系統(tǒng)成本。例如，假設(shè)一個系統(tǒng)有10塊PCB，每年將制造1,000個這樣的系統(tǒng)。若每塊PCB采用單功能IC實現(xiàn)電源管理，則為了完成設(shè)計大概需要10種不同的單功能IC。則這些單功能IC每年的需求量是1,000塊。批量1,000時的單價當(dāng)然高于批量10,000時的單價，所以，與全部PCB都采用同一種單功能電源管理IC的方案比，前一種電源管理方案的成本肯定高。

　　采用多個單功能IC器件實現(xiàn)的傳統(tǒng)電源管理方案已成1980年代的陳年舊事，那時，數(shù)字設(shè)計師利用TTL門來實現(xiàn)邏輯功能。隨著PCB復(fù)雜性的增加，設(shè)計師不得不在是選用固定功能的ASIC還是增加所用的TTL門的數(shù)量這兩個方案間選擇。不奇怪，系統(tǒng)設(shè)計所用的TTL器件數(shù)在急劇增加。

　　可編程邏輯器件(PLD)的出現(xiàn)使設(shè)計師可在給定的PCB單位面積內(nèi)實現(xiàn)更多功能且還縮短了產(chǎn)品上市時間。因降低了系統(tǒng)所用的器件數(shù)，所以還降低了總體系統(tǒng)成本。因可在多個設(shè)計中使用同一個PLD，所以減少了系統(tǒng)所用器件數(shù)。公司能在不犧牲每塊PCB所需功能的前提下，對少量PLD器件進行標(biāo)準化處理。

　　管理少量的PLD比管理很多TTL門要容易地多。相同的PLD可被用于多個PCB設(shè)計，從而減少甚至不再需要第二家供貨渠道。設(shè)計師可在設(shè)計投板前，用軟件仿真設(shè)計，從而增加了一次成功的機會。目前，利用單功能電源管理IC就像過去采用TTL門一樣老套。設(shè)計當(dāng)今復(fù)雜的PCB需要“電源管理PLD”。的確，采用這種器件現(xiàn)應(yīng)是PCB設(shè)計的一種要約。