PCB技術 - PCB設計に最適化されたプログラマブル電源

PCB電源管理は通常、PCBへの電力供給に関わるすべての側面に関連している。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に電力を供給する、

2.電源スイッチの順序/追跡、

3.電圧監視、

4.上記のすべての内容。

本文では、電源管理を簡単に定義する：PCB上のすべての電源（DC-DCコンバータ、LDOなどを含む）の管理を実現する。電源管理は以下の機能を含む：PCB上のDC-DCコントローラを管理する。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、許容値、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/ソフトスタート制御機能は、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（帯電）基板を挿入するPCBの重要な機能である。電源順序付けとトラッキング機能は、PCB上のすべてのデバイスの電源オン順序要件を満たした状態で複数の電源をオン/オフする方法を制御するために使用されます。すべての電圧に障害（過電圧/不足電圧）がないかどうかを監視して、プロセッサに発生する電源障害を警告します。この機能は「モニタ機能」とも呼ばれています。

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。一部のプロセッサでは、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必要があります。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、オンボード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、電源障害時にプロセッサをリセットモードに維持することです。

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。異なる電圧組み合わせに対して、これらのICは異なるモデルを持っている。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、次の情報を提供する必要があります。

1.リセットジェネレータICが監視する必要がある電圧回路の数、

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.外部キャパシタにより制御されるリセットパルス拡張機能、

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に対応するために、1つのリセットジェネレータICだけで、1つのメーカーだけが数百のモデルを持つことができます。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、別の異なるモデルの製品を選択する必要があります。同様に、多くの単機能ICは、同じ機能を持ち、異なるパラメータに基づく多くのモデルを持っていても、ホットスワップコントローラ、パワーシーケンサ、電圧モニタ/検出器などの多くのモデルを持っています。複数のPCBからなるシステムのPCBごとに異なるグループのこれらの単機能ICが必要であり、材料コストも増加する。

PCB設計の複雑さは増加し続ける

単機能電源管理ICの使用が制御可能であれば、これは古い物語になるだろう。多くのPCB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。プロセスノードが細かいほど、デバイスに必要な電圧は低くなりますが、電流は大きくなります。設計者は通常、各多電圧電源ICの1つの負荷点を使用する必要があります。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マルチシーケンス管理のニーズに伴い、電源管理はより複雑になっています。

PCB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抵抗しにくくなってきています。現在、従来の単機能ICを使用して電力管理を実現する設計者は、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選択しなければならない可能性がある。次の2つの方法は望ましくありません。

1.PCB面積を増やし、信頼性を下げる

統計的に見ると、単機能IC数の増加とその後の相互接続は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。例えば、組み立てミスの確率が高くなり、予測不可能（間違いなく悪い）結果になる可能性があります。

2.第2の供給ルートと設計トレードオフ

異なる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ていなくても、生産が遅れるリスクが高くなります。これは逆に、第2の供給ルートに対する需要を招いている。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、これらの非可用性デバイスは、設計者にPCB障害監視カバレッジの犠牲を強いる。

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。設備の単位コストは購入した数量に反比例する。与えられたシステムには多くのデバイスが必要であり、システムを構築するために必要な各デバイスが減少しているため、システム全体のコストが増加しています。例えば、1つのシステムに10個のPCBがある場合、そのようなシステムは年間1000個製造される。各PCBが単一の機能ICを使用して電源管理を実現する場合、設計を完了するには約10の異なる単一の機能ICが必要です。これらの単機能ICの年間需要は1000個である。バッチ1000の単価は、バッチ10000の単価よりも高いことは言うまでもありません。したがって、従来の電源管理ソリューションのコストは、同じ単機能電源管理ICを使用するすべてのPCBのコストよりも高いことは間違いありません。

複数の単機能ICデバイスで実現されてきた従来の電源管理スキームは、1980年代には古いものとなっていた。当時、デジタルデザイナーはTTLゲートを使って論理機能を実現していた。PCBの複雑さが増すにつれて、設計者は固定機能ASICを選択するか、使用するTTLゲートの数を増やすかの2つのオプション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ユニット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設備の数が減少するにつれて、全体のシステムコストも減少した。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デバイス数が減少します。同社は、各PCBが必要とする機能を犠牲にすることなく、少量のPLDデバイスを標準化することができる。

少量のPLDを管理することは、多くのTTLゲートを管理するよりもはるかに容易である。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。設計者は、プロジェクトボードを設計す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の使用は、TTLゲートを使用していた従来と同様に古くなっている。現在の複雑なPCBを設計するには、「電源管理PLD」が必要です。実際、このデバイスの使用は現在PCB設計の提案の1つであるべきである。

単一のプログラマブル電源管理装置を用いた典型的なPCB電源管理実装。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品を必要とする。設計者は、専用に構成されたプラントプログラムされた単機能デバイスに助けを求める必要なく、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構成要素を構成することができる。

PCBの論理を定義するためには、電源管理装置のプログラマブルデジタル部分を使用する必要があります。この論理はプログラマブル電源監視機能と結合して、リセット生成、電源障害中断生成、および各電源の順序付けを実現します。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、電源管理装置は特定のPCBに様々な電源管理機能を提供することができる。