Leiterplattentechnisch - Programmierbares Netzteil optimiert für PCB Design

Beim Leiterplattenleistungsmanagement geht es im Allgemeinen um alle Aspekte, die an der Stromversorgung der Leiterplatte beteiligt sind. Einige häufig involvierte Themen sind:

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

2. Öffnungs- und Schließsequenzierung/Verfolgung der Energie;

3. Spannungsüberwachung;

4. All das oben genannte.

In diesem Artikel wird Energiemanagement einfach definiert als: die Implementierung der Verwaltung der gesamten Energie auf der Leiterplatte (einschließlich: DC-DC-Konverter, LDO, etc.). Energiemanagement umfasst die folgenden Funktionen: Verwalten Sie den DC-DC-Controller auf der Leiterplatte. Zum Beispiel Hot Swap, Soft Start, Sequenzierung, Tracking, Toleranz und Regulierung; Erzeugen Sie alle relevanten Leistungszustandssignale und Steuerlogiksignale. Zum Beispiel Reset-Signalerzeugung, Stromausfall-Anzeige (Überwachung) und Spannungsmanagement. Abbildung 1 zeigt eine typische Power Management Funktion auf einer Leiterplatte mit CPU oder Mikroprozessor; Die Hot-Swap/Soft-Start-Steuerfunktion wird verwendet, um den Einschaltstrom zu begrenzen, um die Startlast des Netzteils zu reduzieren. Dies ist eine wichtige Funktion für die Leiterplatte, die in das aktive (lebende) Substrat eingeführt wird; Die Stromsequenzierungs- und Nachverfolgungsfunktion wird verwendet, um zu steuern, wie mehrere Netzteile unter der Prämisse ein- und ausgeschaltet werden, die Einschaltsequenzanforderungen aller Geräte auf der Leiterplatte zu erfüllen. Alle Spannungen werden auf Fehler (Über-/Unterspannung) überwacht, um den Prozessor vor drohenden Stromausfällen zu warnen. Diese Funktion wird auch die "Aufsichtsfunktion" genannt.

Wenn der Prozessor eingeschaltet ist, bietet die Reset-Generierungsfunktion zuverlässige Startbedingungen für den Prozessor. Einige Prozessoren benötigen, dass das Reset-Signal für einen Zeitraum verbleibt, nachdem alle Arbeitsstromversorgungen des Prozessors stabilisiert sind. Dies wird auch als Reset Puls Stretching bezeichnet. Die Funktion des Reset-Generators besteht darin, den Prozessor im Reset-Modus zu halten, wenn die Stromversorgung ausfällt, um unerwünschte Fehler des On-Board-Flash-Speichers zu verhindern.

Grenzen herkömmlicher Energiemanagement-Lösungen

Traditionell wird jede Energiemanagementfunktion auf der Leiterplatte durch einen separaten funktionalen IC implementiert. Für verschiedene Spannungskombinationen haben diese ICs unterschiedliche Modelle. 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 Spannungskreise, die der Rückstellgenerator IC überwachen muss;

2. Die Kombination der Spannung (3.3, 2.5, 1.2 oder 3.3, 2.5, 1.8, etc.);

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

4. Genauigkeit (3%, 2%, 1.5%, etc.);

5. Die Rückstellimpulserweiterungsfunktion, die durch einen externen Kondensator gesteuert wird;

6. Manueller Reset-Eingang

Um alle möglichen Änderungen dieser Parameter zu bewältigen, nur ein einziger Reset Generator IC, nur ein Hersteller kann Hunderte von Modellen haben. Wenn der Ingenieur während des Entwurfsprozesses eine andere Spannung überwachen muss (wahrscheinlich), muss er ein anderes Produkt eines anderen Modells wählen. In ähnlicher Weise haben viele Single-Function ICs viele Modelle, wie Hot-Swap-Controller, Power Sequenzer und Spannungswächter/Detektoren, auch wenn sie nur die gleiche Funktion haben und viele Modelle haben, die auf verschiedenen Parametern basieren. Jede Leiterplatte eines Systems, das aus mehreren Leiterplatten besteht, erfordert unterschiedliche Gruppen dieser Ein-Funktions-ICs, was auch die Materialkosten erhöht.

Die Komplexität des PCB-Designs nimmt weiter zu

Wenn der Einsatz eines Single-Function Power Management IC überschaubar wäre, dann wäre das eine alte Geschichte. Viele Leiterplatten verwenden jetzt im Allgemeinen mehrere Mehrspannungsgeräte, und jedes Gerät hat eine andere Einschaltsequenz. Je feiner der Prozessknoten, desto geringer ist die für das Gerät erforderliche Spannung, aber desto größer der Strom. Konstrukteure müssen oft einen Lastpunkt jedes Mehrspannungs-Netzteil-IC verwenden. Auf diese Weise steigt die Anzahl der auf der Leiterplatte verwendeten Netzteile. Mit der Zunahme der Stromversorgungsspannungsschleifen und der Notwendigkeit einer Mehrfachsequenzierung wird das Strommanagement komplizierter.

Da das PCB-Design immer komplexer wird, werden herkömmliche Energiemanagement-Lösungen schwieriger zu parrieren. Derzeit müssen Konstrukteure, die herkömmliche Ein-Funktions-ICs zur Implementierung des Strommanagements verwenden, möglicherweise die Überwachung bestimmter Spannungen aufgeben oder mehrere Einzel-Funktions-Geräte für jede Energiemanagement-Funktion auswählen. Die folgenden beiden Methoden sind nicht ratsam.

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

Die Zunahme der Anzahl der Ein-Funktions-ICs und die nachfolgenden Verbindungen erhöhen nicht nur die Leiterplattenfläche, sondern verringern auch die Zuverlässigkeit der Leiterplatte aus statistischer Sicht. Zum Beispiel kann es die Wahrscheinlichkeit von Montagefehlern erhöhen, was zu unvorhersehbaren (definitiv schlechten) Ergebnissen führt.

2. Zweiter Versorgungskanal und Design Kompromiss

Werden die Einrichtungsgeräte von verschiedenen Lieferanten bezogen, erhöht sich das Risiko von Produktionsverzögerungen, die auch dadurch verursacht werden, dass eines der Geräte nicht rechtzeitig installiert ist. Dies wiederum führt zur Nachfrage nach einem zweiten Versorgungskanal. Der zweite Kanal verringert jedoch die Geräteverfügbarkeit von Konstrukteuren, so dass diese nicht verfügbaren Geräte Designer zwingen, die Abdeckung der Leiterplattenfehlerüberwachung zu opfern.

Montage- und Prüfkosten sind proportional zur Anzahl der im System verwendeten Geräte. Die Stückkosten des Geräts sind umgekehrt proportional zur gekauften Menge. Da viele Geräte in einem gegebenen System benötigt werden und jedes Gerät, das zum Bau des Systems erforderlich ist, reduziert wird, werden die Gesamtsystemkosten erhöht. Wenn ein System beispielsweise 10-Leiterplatten hat, werden jährlich 1.000 solcher Systeme hergestellt. Wenn jede Leiterplatte einen Ein-Funktions-IC verwendet, um das Energiemanagement zu implementieren, werden etwa zehn verschiedene Ein-Funktions-ICs benötigt, um das Design abzuschließen. Die jährliche Nachfrage nach diesen Single-Function ICs beträgt 1.000. Der Einzelpreis für eine Charge von 1.000 ist natürlich höher als der Einzelpreis für eine Charge von 10.000. Daher sind die Kosten für die bisherige Power Management Lösung definitiv höher als für alle Leiterplatten, die denselben Single-Function Power Management IC verwenden.

Das traditionelle Strommanagement, das von mehreren Single-Function IC-Geräten implementiert wird, ist in den 1980er Jahren zu einer alten Sache geworden. Damals nutzten digitale Designer TTL-Gates, um Logikfunktionen zu implementieren. Da die Komplexität der Leiterplatte zunimmt, müssen Designer zwischen den beiden Optionen wählen, einen ASIC mit fester Funktion zu wählen oder die Anzahl der verwendeten TTL-Gates zu erhöhen. Es überrascht nicht, dass die Anzahl der TTL-Geräte im Systemdesign dramatisch ansteigt.

Das Aufkommen von Programmable Logic Devices (PLD) ermöglicht es Designern, mehr Funktionen innerhalb eines bestimmten PCB-Einheitsbereichs zu erreichen und verkürzt auch die Markteinführungszeit. Da die Anzahl der im System verwendeten Geräte reduziert wird, sinken auch die Gesamtsystemkosten. Da dieselbe PLD in mehreren Ausführungen verwendet werden kann, reduziert sich die Anzahl der im System verwendeten Geräte. Das Unternehmen kann eine kleine Anzahl von PLD-Geräten standardisieren, ohne die Funktionen zu beeinträchtigen, die von jeder Leiterplatte benötigt werden.

Es ist viel einfacher, eine kleine Anzahl von PLDs zu verwalten, als viele TTL-Gates zu verwalten. Dieselbe PLD kann für mehrere Leiterplattendesigns verwendet werden, wodurch der Bedarf an einem zweiten Versorgungskanal reduziert oder sogar eliminiert wird. Der Designer kann Software verwenden, um das Design vor dem Entwurf des Projektplans zu simulieren und so die Erfolgschancen zu erhöhen. Derzeit ist der Einsatz von Single-Function Power Management ICs genauso altmodisch wie der Einsatz von TTL Gates in der Vergangenheit. Das Design der heutigen komplexen Leiterplatte erfordert "Power Management PLD". Tatsächlich sollte die Verwendung dieses Geräts jetzt ein Angebot für PCB-Design sein.

Eine typische PCB-Power-Management-Implementierung mit einem einzigen programmierbaren Power-Management-Gerät. Programmierbare Strommanagement-Geräte benötigen programmierbare analoge und digitale Teile, um die Integration mehrerer herkömmlicher Ein-Funktions-Strommanagement-Geräte zu vereinfachen. Konstrukteure können das programmierbare Analogteil so konfigurieren, dass es eine Reihe von Spannungskombinationen überwacht, ohne auf ein speziell konfiguriertes, werkseitig programmiertes Einzelfunktionsgerät zurückgreifen zu müssen.

Notwendigkeit, den programmierbaren digitalen Teil des Energiemanagements-Geräts zu verwenden, um die Logik für die Leiterplatte zu definieren, kombiniert diese Logik mit der programmierbaren Leistungsüberwachungsfunktion, um wie Reset-Erzeugung, Stromausfall-Unterbrechung Erzeugung und die Sequenzierung jeder Stromversorgung zu realisieren. Eine softwarebasierte programmierbare Konstruktionsmethodik ermöglicht es Energiemanagementgeräten, eine Vielzahl von Energiemanagementfunktionen für bestimmte Leiterplatten bereitzustellen.