Leiterplatte Blog - Programmierbares Power Management Schema für PCB Board Design

Leiterplatte Power Management befasst sich im Allgemeinen mit allen Alspekten der Stromversorgung eines Leiterplatte. Some commonly covered issues are:

1. Wählen Sie verschiedene DC-DC-Wandler aus, um die Leiterplatte mit Strom zu versorgen;

2. Ein- und Ausschalten von Sequenzierung/Verfolgung;

3. Spannungsüberwachung.

In diesem Artikel, Power Management ist einfach definiert als Verwaltung der gesamten Energie auf demLeiterplatte(including DC-DC converters, LDO, etc.). Das Energiemanagement umfasst folgende Funktionen: Verwaltung des DC-DC-Controllers auf der Leiterplatte. Zum Beispiel, Hot-Plug, Soft-Start, Sequenzierung, Tracking, Toleranz, und Regulierung; alle relevanten Leistungszustände und Steuerlogiksignale werden erzeugt. Zum Beispiel, Erzeugung von Reset-Signalen, power failure indication (monitoring), und Spannungsmanagement. Abbildung 1 zeigt eine typische Power Management Funktion auf einer Leiterplatte mit CPU oder Mikroprozessor; der Hot-Plug/Soft-Start-Steuerfunktion wird verwendet, um Einschaltstrom zu begrenzen, um die Anlauflast auf das Netzteil zu reduzieren. Dies ist eine wichtige Funktion für Leiterplattes, die in aktive Substrate eingefügt werden; Power Sequencing- und Tracking-Funktionen werden verwendet, um zu steuern, wie mehrere Netzteile gedreht werden. Fault (over/under voltage) monitoring of all voltages to warn the processor of impending power failure. Diese Funktion wird auch als "Aufsichtsfunktion" bezeichnet.. Die Reset-Generierungsfunktion bietet eine zuverlässige Startbedingung für den Prozessor, wenn der Prozessor eingeschaltet wird. Einige Prozessoren erfordern, dass das Reset-Signal für einen Zeitraum verbleibt, nachdem alle Betriebsstromquellen des Prozessors stabil sind. Dies wird auch als Reset Puls Stretching bezeichnet. Die Funktion des Reset-Generators besteht darin, den Prozessor im Falle eines Stromausfalls im Reset-Modus zu halten, um unerwünschte Fehler im On- Leiterplatte Flash-Speicher

1. Einschränkungen herkömmlicher Energiemanagementlösungen

Traditionell wird jede Energiemanagementfunktion auf der Leiterplatte durch einen separaten funktionalen IC implementiert. Diese ICs sind in verschiedenen Modellen für unterschiedliche Spannungskombinationen erhältlich. Auf diese Weise gibt es Hunderte von Ein-Funktions-IC-Modellen verschiedener Hersteller, um verschiedene Energiemanagement-Anforderungen zu erfüllen. Um beispielsweise ein Reset Generator IC-Modell auszuwählen, müssen folgende Informationen angegeben werden:

1) Die Anzahl der Spannungskanäle, die durch den Rückstellgenerator IC überwacht werden;

2) Eine Kombination von Spannungen (3.3, 2.5, 1.2 oder 3.3, 2.5, 1.8 usw.);

3)% der Fehlererkennungsspannung (3.3V-5%, 3.3V-10%, etc.);

4) Genauigkeit (3%, 2%, 1,5%, etc.);

5) Die Reset-Impulsverlängerungsfunktion wird durch einen externen Kondensator gesteuert;

6) Manueller Reset-Eingang.

Um alle möglichen Variationen dieser Parameter zu bewältigen, kann es Hunderte von Modellen eines Herstellers allein für einen einzigen Reset-Generator-IC geben. Wenn der Ingenieur während des Entwurfsprozesses (wahrscheinlich) eine andere Spannung überwachen muss, muss ein anderes Modell ausgewählt werden. Ebenso sind viele Single-Function ICs in vielen Varianten verfügbar, die auf unterschiedlichen Parametern basieren, auch für die gleiche Funktion, wie Hot-Swap Controller, Power Sequenzer und Spannungsüberwachung/Detektor Funktion ICs. Für jede Leiterplatte eines Systems, das aus mehreren Leiterplatten besteht, ist ein anderer Satz dieser Ein-Funktions-ICs erforderlich, wodurch auch die Stückliste erhöht wird.

2. Die Komplexität des LeiterplattenDesigns nimmt weiter zu

Wenn der Einsatz von Single-Function Power Management ICs jemals überschaubar war, gehört das der Vergangenheit an. Viele Leiterplatten verwenden heute typischerweise mehrere Mehrspannungsgeräte mit jeweils einer anderen Einschaltsequenz. Geräte mit feineren Prozessknoten benötigen niedrigere Spannungen, aber höhere Ströme. Konstrukteure müssen oft einen Lastpunkt pro Mehrspannungs-Leistungs-IC verwenden. Auf diese Weise steigt die Anzahl der auf der Leiterplatte verwendeten Netzteile. Das Strommanagement wird komplexer, da Versorgungsspannungsschleifen zunehmen und mehrere Sequenzierungsverwaltungen erforderlich sind. Da Leiterplattendesigns komplexer werden, werden herkömmliche Energiemanagement-Lösungen schwieriger zu handhaben. Derzeit müssen Konstrukteure, die ein Strommanagement mit herkömmlichen Ein-Funktions-ICs implementieren, entweder auf die Überwachung bestimmter Spannungen verzichten oder mehrere Ein-Funktions-Geräte für jede Power-Management-Funktion verwenden. Keine der beiden folgenden Methoden ist ratsam.

1) Erhöhen Sie den PCB-Bereich und verringern Sie die Zuverlässigkeit

Die Zunahme der Anzahl der Ein-Funktions-ICs und die daraus resultierende Verschaltung zwischen ihnen erhöht nicht nur die Leiterplattenfläche, sondern verringert auch die Zuverlässigkeit der Leiterplatte aus statistischer Sicht. So ist es beispielsweise möglich, die Wahrscheinlichkeit von Montagefehlern zu erhöhen, was zu unvorhergesehenen (sicherlich schlechten) Ergebnissen führt.

2) Zweiter Versorgungskanal und Design Kompromiss

Bei Einkäufen von Einzelfunktionsgeräten bei verschiedenen Lieferanten besteht ein erhöhtes Risiko von Produktionsverzögerungen, weil selbst eines der Geräte nicht pünktlich ankommt. Dies wiederum führt zur Notwendigkeit eines zweiten Versorgungskanals. Der zweite Kanal reduziert jedoch die Geräteverfügbarkeit für den Konstrukteur und zwingt Designer, aufgrund dieser unzugänglichen Geräte die Fehlerüberwachung auf der Leiterplatte zu opfern. Montage- und Prüfkosten sind proportional zur Anzahl der im System verwendeten Geräte. Die Stückkosten des Geräts sind umgekehrt proportional zum Kaufvolumen. Da viele Geräte in einem bestimmten System benötigt werden, ist weniger von jedem Gerät erforderlich, um das System zu bauen, was die Gesamtsystemkosten erhöht. Zum Beispiel, vorausgesetzt ein System hat 10-Leiterplatten, werden 1.000 solche Systeme pro Jahr hergestellt. Wenn jede Leiterplatte einen Ein-Funktions-IC für das Energiemanagement verwendet, sind etwa zehn verschiedene Ein-Funktions-ICs erforderlich, um das Design abzuschließen. Die jährliche Nachfrage nach diesen Single-Function ICs beträgt 1.000 Stück. Der Einzelpreis in Chargen von 1.000 ist natürlich höher als der Einzelpreis in Chargen von 10.000. Daher sind die Kosten der früheren Power Management Lösung definitiv höher als die der Verwendung des gleichen Single-Function Power Management IC für alle Leiterplatten. Traditionelle Strommanagementsysteme, die mit mehreren Ein-Funktions-IC-Geräten implementiert wurden, gehören in den 1980er Jahren der Vergangenheit an, als digitale Designer TTL-Gates zur Implementierung von Logikfunktionen verwendeten. Da die Komplexität der Leiterplatten zunimmt, müssen Konstrukteure zwischen dem Einsatz eines ASIC mit fester Funktion oder der Erhöhung der Anzahl der verwendeten TTL-Gates wählen. Es überrascht nicht, dass die Anzahl der TTL-Geräte, die in Systemdesigns verwendet werden, dramatisch ansteigt.

Das Aufkommen von Programmierbaren Logikgeräten (PLDs) hat es Designern ermöglicht, mehr Funktionalität innerhalb eines bestimmten Leiterplattenbereichs zu erreichen und hat auch die Markteinführungszeit verkürzt. Auch die Gesamtsystemkosten werden reduziert, indem die Anzahl der im System verwendeten Komponenten reduziert wird. Da dieselbe PLD in mehreren Ausführungen verwendet werden kann, reduziert sich die Anzahl der im System verwendeten Komponenten. Unternehmen können auf einer kleinen Anzahl von PLD-Geräten standardisieren, ohne die erforderliche Funktionalität jeder Leiterplatte zu beeinträchtigen. Es ist viel einfacher, eine kleine Anzahl von PLDs zu verwalten als viele TTL-Gates. Dieselbe PLD kann für mehrere PCB-Designs verwendet werden, wodurch der Bedarf an einem zweiten Versorgungskanal reduziert oder sogar eliminiert wird. Designer können Software verwenden, um Designs zu simulieren, bevor sie pitchen, was ihre Erfolgschancen erhöht. Derzeit ist die Verwendung von Single-Function Power Management ICs genauso altmodisch wie die Verwendung von TTL Gates in der Vergangenheit. Das Design komplexer Leiterplatten von heute erfordert "Power Management PLDs". Tatsächlich sollte die Annahme dieses Geräts jetzt ein Angebot für Leiterplattendesign sein.

3. Programmierbares Energiemanagement

Eine typische PCB-Board-Power-Management-Implementierung verwendet ein einzelnes programmierbares Power-Management-Gerät. Programmierbare Strommanagement-Geräte benötigen programmierbare analoge und digitale Abschnitte, um die Integration mehrerer herkömmlicher Ein-Funktions-Strommanagement-Geräte zu vereinfachen. Konstrukteure können den programmierbaren analogen Abschnitt so konfigurieren, dass eine Reihe von Spannungskombinationen überwacht wird, ohne auf ein speziell konfiguriertes, werkseitig programmiertes Einzelfunktionsgerät zurückzugreifen. Der programmierbare digitale Teil des Energiemanagements-Geräts ist erforderlich, um Logik für die Leiterplatte zu definieren, die programmierbare Leistungsüberwachungsfunktionen wie Reset-Erzeugung, Stromausfall unterbricht Erzeugung und Sequenzierung einzelner Netzteile enthält. Eine softwarebasierte programmierbare Design-Methodik ermöglicht es Power Management-Geräten, mehrere platinenspezifische Power Management-Funktionen bereitzustellen.

4. Programmierbarkeit standardisiert Energiemanagement

Durch die einfache Neukonfiguration des programmierbaren Geräts können Designer alle platinenspezifischen Power-Management-Funktionen mit einem einzigen programmierbaren Power-Management-Gerät implementieren. Das gleiche programmierbare Gerät kann auf mehreren Leiterplatten verwendet werden, anstatt mehrere Single-Function ICs zu verwenden. Dadurch können Designer während des gesamten Entwurfs auf ein einzelnes programmierbares Energiemanagement-Gerät standardisieren. Die Zusammenführung von Energiemanagementfunktionen in einem einzigen programmierbaren Energiemanagementgerät und die Verwendung desselben Geräts auf mehreren Leiterplatten bietet folgende Vorteile:

1) Reduzieren Sie die Größe der Leiterplatte und erhöhen Sie die Zuverlässigkeit

Der Hauptvorteil der Integration mehrerer Ein-Funktions-ICs in ein Gerät ist die reduzierte Leiterplattenfläche. Die reduzierte Bauteilanzahl und die entsprechenden Verbindungsspuren reduzieren Leiterplattenfläche und Kosten. Aus statistischer Sicht erhöht die reduzierte Bauteilzahl auch die Zuverlässigkeit der Leiterplatte.

2) Fähigkeit, komplexe Energiemanagement-Anforderungen zu erfüllen

Die Anzahl der Stromversorgungen, die heute auf Leiterplatten verwendet werden, steigt. Zudem steigt die Komplexität der Überwachungs- und Steuerungsfunktionen. Da programmierbare Energiemanagement-Geräte mehr Leistungsüberwachungseingänge (im Vergleich zu Single-Function ICs) und programmierbare digitale Logik integrieren, eignen sich diese Geräte besser für die Implementierung komplexer Energiemanagement-Funktionen. Darüber hinaus bietet die Programmierbarkeit die Flexibilität, sich schnell an veränderte Spezifikationsanforderungen anzupassen.

3) Kein Bedarf für einen zweiten Versorgungskanal

Im Allgemeinen ist der zweite Kanal eine Vorsichtsmaßnahme, um Produktionsverzögerungen aufgrund der Nichtverfügbarkeit von Geräten zu umgehen. Dieses Bedürfnis wird durch die Tatsache verschärft, dass ein typisches System tatsächlich mehrere kleine Einzelfunktionsgeräte verschiedener Anbieter benötigt. Durch die Standardisierung auf einem einzigen programmierbaren Energiemanagement-Gerät über alle Leiterplatten und Projekte hinweg kann der Bedarf an einem zeitaufwendigen und ressourcenintensiven zweiten Kanal erheblich reduziert oder gänzlich eliminiert werden.

4) Geringere Gesamtsystemkosten

Programmierbare Power Management Geräte sind in der Regel günstiger als die Summe einzelner Single-Function ICs. Darüber hinaus ist ein standardisiertes Energiemanagement für mehrere Leiterplatten im System implementiert, was die Kosten durch höhere Rabatte durch größere Chargen weiter senkt.

5) Die Energiemanagementfunktion kann durch Software realisiert werden

Entwickelt unter Verwendung programmierbarer Energiemanagement-Geräte, die in Software implementiert sind. Typischerweise unterstützt das Software-Design-Tool auch die Verifizierung von Power-Management-Algorithmen, die auf den Leiterplattensimulatoren verwendet werden. Da das Energiemanagement-Design vollständig überprüft wird, bevor das Board gestartet wird, ist die Wahrscheinlichkeit des sexuellen Übergangs hoch, was das Tempo der Produkteinführung weiter beschleunigt.

Die Anzahl der verwendeten Netzteile today's PCBs continues to increase, und Power Management Algorithmen werden noch komplexer. Allerdings, Traditionelle veraltete Strommanagementsysteme werden immer noch häufig in diesen zunehmend anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt, PCB-Design ineffizient und teuer machen, und oft zu schlechten Ergebnissen aufgrund unvermeidbarer Kompromisse führen. In diesem Beitrag wird ein Entwurf für dieses komplexe Energiemanagement-Problem vorgestellt:, Mixed-Signal Power Management Geräte. Designer können "Power Management PLDs" standardisieren und das Gerät im gesamten System verwenden Leiterplatte, Kostensenkung, Erhöhung der Zuverlässigkeit, und beschleunigte Markteinführungszeit.