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作者：Shyam Chandra，萊迪思半導體 我們無法做到完美，但追求完美能讓人卓越。——文斯·隆巴迪 消費者對于新技術的渴望是不會停歇的。為了滿足消費者的需求，工程師們不斷將產品做得更小、更快、更便宜、更好。隨著尺寸變得越來越輕薄，而復雜程度越來越高，我們常常會發現我們熟知的那些技術已然無法滿足我們的需求。我們的設計必須與時俱進。 現在的電路板（CB）比以前復雜很多，正在把當前板級設計方案的功能推向極限。電源管理架構方面遇到的挑戰正是這種趨勢的寫照。目前有幾種常用的設計方案，但是每一種方案都要作出一定的妥協，并且隨著設計變得越來復雜，這種妥協日趨讓人難以忍受。 為了滿足需求，我們開發了一種全新的電源管理架構，能夠提供最佳的性能、安全性和靈活性，同時需要的開發工作和實現成本要少得多。不過在介紹該電源管理架構之前，作為本話題系列第一篇，讓我們先聊一聊現有設計的長處和短板。 負載 vs. 硬件管理 一塊現代化的電路板通常被分為兩個功能塊：負載管理和硬件管理。在大多數電路板中，80-90% 區域專門用于“負載”功能（數據/控制平面元器件和/或處理器）。剩下的10-20% 用于硬件層面的監控、控制或內務處理功能，包括溫度和電源管理。 電源管理（PM）是硬件管理中至關重要的一部分，因為它負責每個電源在規定范圍內按上電或斷電時序運行。同時，還負責在出現故障和復位情況時的電源時序。溫度管理部分則用于確保電路板上的IC在允許的溫度范圍內工作。其他硬件管理功能塊的剩余部分負責實現各類內務處理功能，包括系統/子系統復位、JTAG鏈管理、I2C通訊、邏輯電平轉換、接口橋接以及其他板級控制任務。 不過，大多數現有的硬件管理架構很難進行調整以適配越來越復雜的負載功能，要解決這些挑戰需要付出很高的代價。目前，硬件管理部分占物料總成本的比重很不成比例。盡管這個部分僅占電路板的10-20%，它需要的設計/和調試時間卻要占到整個開發周期的30-40% 。 電源管理元器件 大多數電源分布式網絡采用層次式或階梯式結構，使用三種不同的DC-DC轉換器： 輸入電源：將電路板的輸入電源轉換為供電路板上其他DC-DC轉換器使用的主要電路板電壓。 電路板通用電源：產生的電壓供2個或2個以上的負載（ASIC、SOC、CPU等）使用。 器件電源：用于專門為獨立的負載器件供電。 電路板級的電源管理器必須確保輸入電源和用于為電路板負載元器件供電的DC-DC轉換器的正常和安全工作。為了實現這個目標，電路板的電源管理部分應當能夠執行以下四類關鍵的功能： 監控“Power is Good”狀態——確保在電路板正常工作時所有的電源電壓都在安全范圍內。尋找過壓和欠壓故障。當偵測到故障時，啟動應對措施，如發出“RESET”和“POWER_OK”信號或啟動斷電時序。 上電/斷電時序管理——按照特定順序開啟或關閉DC-DC轉換器，避免邏輯錯誤或是電路板損壞。 發送控制信號——為負載器件生成電源相關的控制信號（復位、電源正常等），確保負載器件能夠在上電時序完成后開始工作，或是在驅動斷電時序前終止運行。 遙測或電壓和電流測量——某些電路板在正常工作期間需要對某些或所有的DC-DC轉換器進行電壓測量。 電源時序是基于時間或事件的。在基于時間時序的系統中，管理電路按照固定的順序按需以預定義的延遲啟動電源，避免IC產生邏輯錯誤或是對IC造成損壞。使用唯一的固定關斷信號用于正常關斷操作或是偵測到故障時斷電。而基于事件的時序則不同，這類解決方案能夠為不同故障提供針對性的反應。能夠為不同等級的故障提供基于故障的斷電時序。基于事件的時序能夠幫助設計工程師滿足當前的器件電源要求。在很多情況中，必須使用基于事件的時序以避免對大型SoC和FPGA造成損害。 因此，設計工程師經常使用的方案是要能夠實現使用算法電源管理功能。一種常用的方案是使用PLD或控制PLD。該控制PLD可以是一片基于宏單元的PLD、CPLD或小型FPGA。 |
