PCBブログ - PCBボード設計のためのプログラマブル電源管理方案

PCBボードの電源管理は、一般にPCBボードに電力を供給するために必要なすべての側面に関連しています。よくある質問の中には、次のものがあります。

1.各種DC−DCコンバータを選択してPCBボードに電力を供給する、

2.上下の電気順序/追跡、

3.電圧モニタリング。

本明細書では、電源管理は、PCBボード上のすべての電源（DC−DCコンバータ、LDOなどを含む）を管理するために簡単に定義される。電源管理には、PCB上のDC-DCコントローラを管理する機能があります。例えば、ホットスワップ、ソフトスタート、ソート、トラッキング、公差、調整、すべての関連する電力状態と制御論理信号を生成する。例えば、リセット信号生成、電源障害指示（モニタ）、電圧管理などが挙げられる。【図1】CPUまたはマイクロプロセッサを備えたPCB上の典型的な電源管理機能を示す図である。ホットプラグ/ソフト起動制御機能は、電源の起動負荷を減らすためにサージ電流を制限するために使用されます。これは能動基板を挿入するPCB板の重要な機能である。電力順序付けと追跡機能は、複数の電源を回転させる方法を制御するために使用されます。すべての電圧を障害（過電圧/不足電圧）監視して、プロセッサに電源障害が発生することを警告します。この機能は「監督機能」とも呼ばれている。プロセッサに電源が入ると、リセット生成機能はプロセッサに信頼性の高い起動条件を提供します。一部のプロセッサは、プロセッサのすべての動作電源が安定してからしばらくの間リセット信号を維持することを要求している。これはリセットパルス引張とも呼ばれる。リセットジェネレータの機能は、PCBボード上のフラッシュメモリに予期しないエラーが発生しないように、電源障害が発生した場合にプロセッサをリセットモードに維持することです。

1.従来の電源管理ソリューションの限界

従来、PCB上の各電源管理機能は、1つの個別の機能ICによって実現されてきた。これらのICには異なるタイプがあり、異なる電圧の組み合わせに使用できます。これにより、さまざまな電源管理ニーズに対応するために、さまざまなメーカーから数百種類の単機能ICモデルが用意されています。たとえば、リセットジェネレータICモデルを選択するには、次の情報を入力する必要があります。

1）リセットジェネレータICによって監視される電圧チャネルの数、

2）電圧の組み合わせ（3.3、2.5、1.2または3.3、2.5と1.8など）、

3）故障検出電圧の%（3.3 V-5%、3.3 V-10%など）、

4）精度（3%、2%、1.5%など）、

5）リセットパルス拡張機能は外部キャパシタによって制御される、

6）手動リセット入力。

これらのパラメータの可能なすべての変化を処理するために、1つのリセットジェネレータICは1つのメーカーからだけで数百のモデルがある可能性があります。また、エンジニアが設計中に別の電圧を監視する必要がある場合は、異なるモデルを選択する必要があります。同様に、多くの単機能ICは、同じ機能であっても、異なるパラメータに基づく多くのバリエーションで利用可能であり、例えば、ホットスワップコントローラ、電力シーケンサ、電圧監視/検出器機能ICなどである。複数のPCBボードからなるシステムの各PCBボードには、これらの単機能ICのセットが異なる必要があり、材料リストも追加されています。

2.PCBボード設計の複雑さが増加し続ける

単機能電源管理ICの使用が制御可能だった場合は、過去のものとなります。多くのPCBボードは現在、いくつかの多電圧デバイスを使用しており、各デバイスには異なる通電順序があります。より微細なプロセスノードを有するデバイスは、より低い電圧を必要とするが、より高い電流を必要とする。設計者は通常、各多電圧電力ICの1つの負荷点を利用する必要がある。このようにして、PCBで使用される電源の数が増加します。電源電圧回路の増加と多重シーケンス管理の必要性に伴い、電源管理はより複雑になっている。PCBボードの設計が複雑になるにつれて、従来の電源管理ソリューションはより処理しにくくなりました。現在、従来の単機能ICで電力管理を実現している設計者は、特定の電圧の監視を放棄するか、電力管理機能ごとに複数の単機能デバイスを使用しなければならない。以下の2つの方法はどちらも望ましくありません。

1）PCB面積を増やし、信頼性を下げる

統計的な観点から見ると、単機能IC数の増加とその間の相互接続はPCB面積を増加させるだけでなく、PCBの信頼性を低下させる。たとえば、組み立てミスの確率が高くなり、予見できない（もちろん悪い）結果になる可能性があります。

2）第2供給ルートと設計折衷

別のベンダーから注文機能デバイスを購入すると、いずれかのデバイスが時間通りに到着しなくても、生産が遅れるリスクが高くなります。これはまた、第2の供給チャネルの必要性をもたらす。しかし、2つ目のチャネルは設計エンジニアのデバイスの可用性を低下させ、設計者にこれらの遠隔地では手の届かないデバイスのためにPCB上の障害監視カバレッジを犠牲にさせた。組み立てとテストのコストは、システムで使用されるデバイスの数に比例します。この装置の単位コストは購入量に反比例する。与えられたシステムには多くのデバイスが必要なため、システム構築に必要な各デバイスは少なく、システム全体のコストが増加します。例えば、1つのシステムに10枚のPCBボードがあると仮定して、毎年1000個のこのようなシステムが製造されます。PCBボードごとに1つの単機能ICを使用して電源管理を行う場合は、設計を完了するために約10の異なる単機能ICが必要です。これらの単機能集積回路の年間需要量は1000ブロックである。1000ロットの単価はもちろん10000ロットの単価よりも高い。したがって、従来の電源管理ソリューションのコストは、すべてのPCBボードに同じ単機能電源管理ICを使用するコストよりも高いことは間違いありません。1980年代には、デジタルデザイナーがTTLゲートを使用して論理機能を実現する際に、複数の単機能ICデバイスで実現された従来の電源管理スキームが過去のものとなっていた。PCBボードの複雑さが増すにつれて、設計者は固定機能ASICを使用するか、使用するTTLゲートの数を増やすかの間で選択しなければならない。不思議ではないが、システム設計に使用されるTTLデバイスの数が急増している。

プログラマブル論理デバイス（PLD）の出現により、設計者は所与のPCB領域内でより多くの機能を実現することができ、出荷時間を短縮することができる。システムで使用される部品の数を減らすことで、システム全体のコストも削減できます。同じPLDを複数の設計に使用できるため、システムで使用されるコンポーネントの数が減少します。会社は各PCBボードの必要な機能を犠牲にすることなく、少量のPLDデバイスで標準化することができる。多くのTTLゲートに比べて、少量のPLDを管理することは非常に容易である。同じPLDを複数のPCB設計に使用することができ、第2の供給チャネルの必要性を低減し、排除することができる。デザイナーは、販売される前にソフトウェアを使用して設計をシミュレーションすることができ、成功の機会を増やすことができます。現在、単機能電源管理ICを使用することは、TTLゲートを使用していた以前と同様に古くなっています。現在の複雑なPCBボードを設計するには、「電源管理PLD」が必要です。実際、このような装置の採用は現在PCBボード設計の提案であるべきである。

3.プログラマブル電源管理方案

典型的なPCBボード電源管理は、単一のプログラマブル電源管理装置を使用することを実現する。プログラム可能な電源管理装置は、複数の従来の単機能電源管理装置の統合を簡素化するために、プログラム可能なアナログおよびデジタル部分を必要とする。設計者は、専用に構成された、プラントでプログラムされた単機能デバイスに助けを求めることなく、一連の電圧組み合わせを監視するためにプログラム可能なシミュレーション部分を構成することができる。電源管理装置のプログラム可能なデジタル部分は、リセット生成、電源障害割り込み生成、単一電源の順序付けなどのプログラム可能な電源監視機能を含むPCBボードの論理を定義する必要がある。ソフトウェアベースのプログラム可能な設計方法により、電源管理装置は複数のボード固有の電源管理機能を提供することができる。

4.プログラム可能な標準化電源管理

プログラマブルデバイスを簡単に再構成することで、設計者は単一のプログラマブル電源管理デバイスですべてのボード固有の電源管理機能を実現することができます。同じプログラマブルデバイスは、複数の単機能ICを使用するのではなく、複数のPCBボード上で使用することができる。したがって、設計者は設計プロセス全体を通じて単一のプログラマブル電源管理装置上で標準化することができる。電源管理機能を単一のプログラマブル電源管理デバイスに統合し、複数のPCBで同じデバイスを使用することで、次のメリットが得られます。

1）PCBボードのサイズを小さくし、信頼性を高める

複数の単機能ICを1つのデバイスに統合する主なメリットは、PCBボード面積を削減することです。減少した素子数と対応する相互接続トレースはPCB面積とコストを削減した。統計的に見ると、素子数の減少もPCBの信頼性を高めている。

2）複雑な電源管理要件を満たすことができる

現在、PCBボードで使用される電源の数は増加しています。また、監視と制御機能の複雑さも増加している。プログラマブル電源管理装置は、より多くの電源監視入力（単機能ICに比べて）とプログラマブルデジタルロジックを統合しているため、複雑な電源管理機能を実現するのに適しています。さらに、プログラム可能性は、変化する仕様要件に迅速に適応する柔軟性を提供します。

3）2つ目の供給チャネルは不要

一般的に、2つ目のチャネルは、デバイスが使用できないことによる生産遅延を回避するための予防策です。典型的なシステムには、実際には異なるベンダーからの複数の小規模な単機能デバイスが必要であり、このようなニーズが高まっています。すべてのPCBおよびプロジェクトの単一のプログラマブル電源管理装置上で標準化することにより、時間がかかり、リソースが密集している第2のチャネルの需要を大幅に削減または完全に排除することができる。

4）システム全体のコスト削減

プログラマブル電源管理装置は、通常、単一の単機能ICの合計よりも安価である。また、システム内の複数のPCBボードは標準化された電源管理を実現し、バッチが大きいため割引が高く、さらにコストを削減しました。

5）電源管理機能はソフトウェアで実現可能

ソフトウェアを用いて実現されたプログラム可能な電源管理装置を設計する。通常、ソフトウェア設計ツールは、PCBボードシミュレータで使用される電源管理アルゴリズムの検証にも対応しています。マザーボードが発売される前に電源管理設計が十分に検証されているため、性が通過する確率が高く、製品の発売がさらに加速しています。

現在、PCBで使用されている電源の数は増加し続けており、電源管理アルゴリズムはさらに複雑になっています。しかし、これらの要求が高まっているアプリケーションでは、従来の時代遅れの電源管理スキームが頻繁に使用されており、PCB設計は非効率で高価であり、避けられないトレードオフのため、結果が悪いことがよくあります。本文はこの複雑な電源管理問題に対して設計を提案した：プログラム可能なハイブリッド信号電源管理装置を使用する。設計者は「電源管理PLD」を標準化し、システムPCBボード全体で使用することができ、コストの削減、信頼性の向上、出荷時間の短縮を図ることができます。