PCB 블로그 - PCB 보드 설계를 위한 프로그래밍 가능한 전원 관리 시나리오

PCB 보드 전원 관리는 일반적으로 PCB 보드에 전원을 공급하는 모든 측면을 다룹니다.몇 가지 일반적인 질문은 다음과 같습니다.

1. 다양한 DC-DC 동글을 선택하여 PCB 보드에 전원을 공급합니다.

2.상하 순서/추적;

3.전압 모니터링.

이 문서에서 전원 관리는 PCB 보드의 모든 전원 공급 장치(DC-DC 동글, LDO 등)를 관리하는 것으로 간단히 정의됩니다. 전원 관리에는 PCB의 DC-DC 컨트롤러 관리 기능이 포함됩니다.예를 들어, 핫스왑, 소프트 부팅, 정렬, 추적, 공차 및 튜닝관련된 모든 전력 상태 및 제어 논리 신호를 생성합니다.예를 들어, 재설정 신호 생성, 전원 장애 표시(모니터링) 및 전압 관리 등이 있습니다.그림 1은 CPU 또는 마이크로프로세서가 있는 PCB의 일반적인 전력 관리 기능을 보여줍니다.핫스왑 / 소프트 부팅 제어 기능은 유입 전류를 제한하여 전원 공급 장치의 부팅 부하를 줄이는 데 사용됩니다.이것은 소스 기판이 있는 PCB 보드를 삽입하는 중요한 기능입니다.전력 정렬 및 추적 기능은 여러 전원 공급 장치를 돌리는 방법을 제어합니다.모든 전압의 장애 (과전압 / 저전압) 를 모니터링하여 프로세서에 전원 장애가 발생할 것임을 경고합니다.이 기능을 감독 기능이라고도 합니다.재설정 생성 기능은 프로세서의 전원이 켜져 있을 때 프로세서의 안정적인 부팅 조건을 제공합니다.일부 프로세서는 프로세서의 모든 작동 전원이 안정된 후에도 신호를 재설정해야 합니다.이를 리셋 펄스 스트레칭이라고도 합니다.재설정 구성기는 전원 장애 발생 시 프로세서를 재설정 모드로 유지하여 PCB 보드에 예기치 않은 플래시 오류가 발생하지 않도록 합니다.

1. 기존 전력 관리 솔루션의 한계

전통적으로 PCB의 각 전원 관리 기능은 별도의 기능 IC로 수행되었습니다.이러한 IC는 서로 다른 전압 조합에 사용할 수 있는 다양한 모델이 있습니다.이를 통해 다양한 전력 관리 요구 사항을 충족하는 다양한 제조업체의 단일 기능 IC 모델 수백 가지가 제공됩니다.예를 들어, 재설정 발생기 IC 모델을 선택하려면 다음 정보를 제공해야 합니다.

1) 리셋 발생기 IC가 모니터링하는 전압 채널의 수;

2) 전압의 조합(3.3, 2.5, 1.2 또는 3.3, 2.5 및 1.8 등);

3) 장애 감지 전압의% (3.3V-5%, 3.3V-10% 등);

4) 정확도 (3%, 2%, 1.5% 등);

5) 재설정 펄스 확장 기능은 외부 콘덴서에 의해 제어됩니다.

6) 입력을 수동으로 재설정합니다.

이러한 매개 변수의 가능한 모든 변경 사항을 처리하기 위해 단일 리셋 발생기 IC는 한 제조업체에서만 수백 개의 모델을 가질 수 있습니다.또한 설계 과정에서 엔지니어가 다른 전압을 모니터링해야 할 경우 다른 모델을 선택해야 합니다.이와 유사하게, 핫플러그 컨트롤러, 전력 정렬기 및 전압 모니터링/검출기 기능 IC와 같은 다양한 매개변수를 기반으로 많은 단일 기능 IC는 많은 변형에서 사용할 수 있습니다.여러 PCB 보드로 구성된 시스템의 각 PCB 보드에는 이러한 단일 기능 IC 세트가 다르므로 BOM도 추가됩니다.

2. PCB 보드 설계의 복잡성 증가

단일 기능 전원 관리 IC의 사용이 한때 통제 가능했다면 과거가 된 것입니다.많은 PCB 보드는 현재 일반적으로 여러 개의 다중 전압 장치를 사용하며 각 장치에는 서로 다른 전원 공급 순서가 있습니다.더 정교한 공정 노드가 있는 부품은 더 낮은 전압과 더 높은 전류를 필요로 한다.설계자는 일반적으로 각 다중 전압 전력 IC의 로드 포인트를 활용합니다.이렇게 하면 PCB에 사용되는 전원 공급 장치의 수가 증가합니다.전원 공급 장치의 전압 회로가 증가하고 여러 차례의 관리가 필요함에 따라 전원 관리는 더욱 복잡해집니다.PCB 보드 설계가 더욱 복잡해짐에 따라 기존의 전력 관리 솔루션은 더욱 처리하기 어려워졌습니다.현재 전통적인 단일 기능 IC로 전력 관리를 실현하는 설계자는 일부 전압 모니터링을 포기하거나 각 전력 관리 기능에 여러 개의 단일 기능 장치를 사용해야 합니다.다음 두 가지 방법 모두 바람직하지 않습니다.

1) PCB 면적 증가, 신뢰성 저하

단일 기능 IC 수량의 증가와 그 사이의 상호 연결은 PCB 면적을 증가시킬 뿐만 아니라 통계적인 측면에서 PCB의 신뢰성을 떨어뜨린다.예를 들어, 어셈블이 잘못될 확률이 높아져 예측할 수 없는 (물론 나쁜) 결과를 초래할 수 있습니다.

2) 제2공급경로와 설계절충

서로 다른 공급업체로부터 기능 설비를 구매할 때, 설령 그 중의 한 설비가 제때에 도착하지 않더라도 생산 지연의 위험을 증가시킬 수 있다.이것은 또 제2공급통로에 대한 수요를 초래했다.그러나 두 번째 채널은 설계 엔지니어의 장비 가용성을 감소시켜 설계자가 이러한 멀리 떨어진 장비로 인해 PCB의 장애 모니터링 적용 범위를 희생하도록 강요합니다.조립 및 테스트 비용은 시스템에 사용되는 장비 수에 비례합니다.이 설비의 단위 원가는 구매량과 반비례한다.주어진 시스템에 많은 장치가 필요하기 때문에 시스템을 구축하는 데 필요한 각 장치가 적기 때문에 전체 시스템의 비용이 증가합니다.예를 들어, 한 시스템에 10개의 PCB 보드가 있다고 가정하면 매년 1000개의 시스템이 만들어집니다.각 PCB 보드에서 전원 관리를 위해 단일 기능 IC를 사용하는 경우 설계를 완료하려면 약 10개의 다른 단일 기능 IC가 필요합니다.이러한 단일 기능 집적회로의 연간 수요량은 1000개이다.1000차의 단가는 당연히 10000차의 단가보다 높다.따라서 이전 전력 관리 솔루션의 비용은 모든 PCB 보드에 동일한 단일 기능 전력 관리 IC를 사용하는 비용보다 높습니다.1980년대에 디지털 디자이너가 TTL 게이트를 사용하여 논리적 기능을 구현할 때 여러 개의 단일 기능 IC 부품으로 구현된 전통적인 전원 관리 방안은 이미 과거가 되었다.PCB 보드의 복잡성이 증가함에 따라 설계자는 고정 기능인 ASIC를 사용하거나 TTL 도어의 수를 늘려야 합니다.이상하게도 시스템 설계에 사용되는 TTL 장치의 수가 급격히 증가하고 있습니다.

프로그래밍 가능한 논리 장치(PLD)의 출현으로 설계자는 주어진 PCB 영역 내에서 더 많은 기능을 구현할 수 있게 되었고, 출시 시간을 단축할 수 있게 되었다.시스템에 사용되는 구성 요소의 수를 줄임으로써 전체 시스템의 비용도 절감할 수 있습니다.동일한 PLD를 다양한 설계에 사용할 수 있으므로 시스템에서 사용되는 어셈블리 수가 줄어듭니다.회사는 각 PCB 보드에 필요한 기능을 희생하지 않고 소량의 PLD 장치에서 표준화할 수 있다.적은 수의 PLD를 관리하는 것이 많은 TTL 게이트를 관리하는 것보다 훨씬 쉽습니다.동일한 PLD를 여러 PCB 설계에 사용할 수 있으므로 보조 공급 채널에 대한 필요성이 감소하거나 제거됩니다.디자이너는 디자인이 판매되기 전에 소프트웨어를 사용하여 디자인을 시뮬레이션하여 성공할 수 있는 기회를 늘릴 수 있다.현재, 단일 기능 전원 관리 IC를 사용하는 것은 과거에 TTL 게이트를 사용했던 것과 마찬가지로 오래된 것입니다.오늘날 복잡한 PCB 보드를 설계하려면 "전원 관리 PLD"가 필요합니다.사실, 이 장비의 채택은 이제 PCB 보드 설계의 제안이어야합니다.

3. 프로그래밍 가능한 전원 관리 시나리오

일반적인 PCB 보드 전원 관리는 프로그래밍 가능한 단일 전원 관리 장치를 사용합니다.프로그래밍 가능한 전원 관리 장치에는 여러 개의 기존 단일 기능 전원 관리 장치의 통합을 단순화하기 위해 프로그래밍 가능한 아날로그 및 디지털 섹션이 필요합니다.설계자는 프로그래밍 가능한 시뮬레이션 부분을 구성하여 전압 조합을 모니터링할 수 있으며, 전문적으로 구성된 공장 프로그래밍의 단일 기능 설비에 도움을 청할 필요가 없다.전원 관리 장치의 프로그래밍 가능한 디지털 섹션에는 재설정 생성, 전원 장애 중단 생성 및 개별 전원 공급 장치의 순서와 같은 프로그래밍 가능한 전원 모니터링 기능이 포함된 PCB 보드의 논리를 정의해야 합니다.소프트웨어 기반 프로그래밍 가능한 설계 방법을 통해 전원 관리 장치는 여러 보드별 전원 관리 기능을 제공합니다.

4. 프로그래밍 가능한 표준화된 전원 관리

프로그래밍 가능한 장치를 간단히 재구성하여 설계자는 단일 프로그래밍 가능한 전원 관리 장치를 사용하여 모든 보드별 전원 관리 기능을 구현할 수 있습니다.동일한 프로그래밍 가능 장치는 여러 개의 단일 기능 IC가 아닌 여러 PCB 보드에서 사용할 수 있습니다.따라서 설계자는 설계 프로세스 전반에 걸쳐 단일 프로그래밍 가능한 전원 관리 장치를 표준화할 수 있습니다.단일 프로그래밍 가능한 전원 관리 장치에 전원 관리 기능을 통합하고 여러 PCB에서 동일한 장치를 사용하면 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다.

1) PCB 보드의 크기를 줄여 안정성 향상

여러 개의 단일 기능 IC를 하나의 장치에 통합하는 주요 이점은 PCB 보드 면적을 줄이는 것입니다.감소된 소자 수와 그에 상응하는 상호 연결 흔적선은 PCB 면적과 비용을 감소시켰다.통계적인 관점에서 볼 때, 컴포넌트 수의 감소는 PCB의 신뢰성도 향상시킵니다.

2) 복잡한 전력 관리 요구 사항 충족

오늘날 PCB 보드에 사용되는 전원 공급 장치의 수가 증가하고 있습니다.또한 모니터링 및 제어 기능의 복잡성도 증가하고 있습니다.프로그래밍 가능한 전원 관리 장치는 복잡한 전원 관리 기능을 구현하는 데 적합한 단일 기능 IC보다 더 많은 전원 모니터링 입력과 프로그래밍 가능한 디지털 로직을 통합합니다.또한 프로그래밍 편의성은 변화하는 사양 요구 사항에 신속하게 대응할 수 있는 유연성을 제공합니다.

3) 보조 공급 채널 불필요

일반적으로 두 번째 채널은 장비 사용 불가능으로 인한 생산 지연을 방지하기 위한 예방 조치입니다.일반적인 시스템은 실제로 다양한 공급업체에서 여러 개의 소규모 단일 기능 장치를 필요로 하는데, 이 현실은 이러한 수요를 심화시킨다.모든 PCB 및 프로젝트에서 단일 프로그래밍 가능한 전원 관리 장치를 표준화하여 시간이 많이 걸리고 리소스가 많은 보조 채널에 대한 요구를 대폭 줄이거나 완전히 제거할 수 있습니다.

4) 전체 시스템 비용 절감

프로그래밍 가능한 전원 관리 장치는 일반적으로 단일 단일 기능 IC의 합계보다 저렴합니다.또한 시스템의 여러 PCB 보드를 통해 표준화된 전력 관리를 구현할 수 있으며, 볼륨이 크고 할인율이 높기 때문에 비용을 더욱 절감할 수 있습니다.

5) 소프트웨어를 통한 전력 관리 기능

소프트웨어를 사용하여 프로그래밍 가능한 전원 관리 장치를 설계합니다.일반적으로 소프트웨어 설계 도구는 PCB 보드 에뮬레이터에 사용되는 전원 관리 알고리즘을 검증하는 것도 지원합니다.전력 관리 설계가 마더보드를 출시하기 전에 충분히 검증되었기 때문에 성 전달의 기회가 매우 높기 때문에 제품 출시에 더욱 박차를 가할 수 있다.

오늘날 PCB에 사용되는 전원 공급 장치의 수가 지속적으로 증가하고 있으며 전력 관리 알고리즘은 더욱 복잡해지고 있습니다.그러나 이러한 요구 사항이 점점 더 높아지는 응용 프로그램에서 전통적인 오래된 전원 관리 프로그램은 여전히 자주 사용되고 있으며, 이로 인해 PCB는 비효율적이고 비용이 많이 들며, 불가피한 저울질로 인해 종종 나쁜 결과를 초래합니다.본고는 이 복잡한 전원 관리 문제에 대해 프로그래밍 가능한 혼합 신호 전원 관리 장치를 사용하는 설계를 제시했다.설계자는 "전원 관리 PLD"를 표준화하고 전체 시스템 PCB 보드에서 장치를 사용하여 비용을 절감하고 신뢰성을 높이며 출시 시기를 단축할 수 있습니다.