Teknik PCB - Arkitektur pengurusan kuasa PCB CPLD

Sebagai rancangan papan sirkuit menjadi lebih kompleks, mereka mula mendorong prestasi arkitektur pengurusan perkakasan/kuasa yang wujud ke had mereka. Ada empat arkitektur pengurusan papan sirkuit yang paling biasa digunakan. Walaupun semua boleh digunakan untuk menyokong rancangan kompleks ini, mereka lebih atau kurang perlu membuat konsesi atau kompromi dalam terma skalabiliti rancangan, muatan kerja, atau kos.

Baru-baru ini, jenis lima arkitektur pengurusan papan sirkuit telah muncul, yang boleh menyediakan prestasi, keselamatan dan fleksibiliti tertinggi pada masa ini, sementara mengurangkan banyak muatan kerja desain dan kos pembinaan. Artikel ini akan membincangkan arkitektur baru ini, fokus pada fungsi pengurusan kuasa yang diberikannya.

Paparan Lanjutan

Kami biasanya membahagi papan sirkuit kepada dua modul fungsional (Figure 1)-load management (Payload Management) dan pengurusan perkakasan (Hardware Management). Untuk kebanyakan papan sirkuit, fungsi muatan mengandungi 80% hingga 90% seluruh kawasan PCB (lapisan data/kawalan dan/atau pemproses). 10% hingga 20% yang tersisa adalah bahagian pengurusan perkakasan, yang digunakan untuk melakukan pengawasan/kawalan aras perkakasan atau pengawasan rumah.

Sehingga akhir-akhir ini, sebuah arkitektur terhapus baru telah muncul, yang lebih boleh diperkasa daripada arkitektur lain dan boleh dilaksanakan dengan biaya BOM yang lebih rendah. Untuk memudahkan pemahaman keuntungan arkitektur yang disebarkan, kita pertama-tama membina fungsi pengurusan kuasa empat arkitektur pengurusan perkakasan yang paling biasa digunakan (Figure 2-5), dan kemudian mengeksplorasi arkitektur yang disebarkan.

Perbandingan arkitektur pengurusan kuasa berdasarkan PLD kawalan

Pengurusan kuasa berdasarkan CPLD dan penjagaan rumah, dalam arkitektur ini, fungsi pengurusan kuasa ditambah ke PLD kawalan kapal (CPLD). CPLD mengawasi kuasa input dan isyarat "Power Goods" setiap penukar DC-DC. Guna CPLD untuk melaksanakan algoritma masa untuk menghasilkan isyarat "Aktifkan" untuk menyalakan litar muatan untuk menghindari kerosakan atau ralat logik. CPLD juga boleh menghasilkan isyarat logik, seperti Reset dan Power Good, untuk memastikan bahawa komponen muatan boleh memulakan operasi apabila kuasa dinyalakan atau dihentikan apabila kuasa dimatikan. Ia juga bertanggungjawab untuk menghasilkan jujukan untuk mematikan bekalan kuasa dengan selamat dalam kes kegagalan kuasa atau pengesan kesalahan. PLD mudah untuk menyokong penyelesaian orient peristiwa dan boleh menyediakan jawapan terpisah untuk kombinasi kegagalan yang berbeza.

Sistem pengurusan perkakasan berasaskan CPLD boleh menyedari pengurusan kuasa dan fungsi penjagaan rumah

Untuk jenis reka ini, semua urutan kuasa, fungsi perlindungan dan kawalan dilaksanakan menggunakan CPLD, biasanya ditulis dalam VHDL atau Verilog.

keuntungan:

♪ harga rendah

♪ Arkitektur intuitif membuat logik masa CPLD mudah disesuaikan kepada aplikasi baru

▪ Guna persekitaran desain (biasanya digunakan Verilog) untuk menyadari desain

Arkitektur yang orient peristiwa boleh bertindak berbeza kepada kegagalan berbeza dengan cara fleksibel

pintasan:

♪ Kerana setiap bekalan kuasa memerlukan 2 saluran isyarat, rancangan yang lebih besar dan lebih kompleks mula menghadapi cabaran dari lebih banyak port I/O CPLD dan congestion papan sirkuit

Pengesanan kuasa yang baik tidak tepat (biasanya 8% hingga 20% kadar ralat) dan kecenderungan tidak mampu mengawasi tenaga bekalan kuasa, yang menyebabkan kecurangan kepercayaan

â−ª Menambah fungsi pengukuran automatik (mengawasi tenaga bekalan kuasa sebenar, bukan isyarat kuasa baik), penukar A/D mesti ditambah, yang meningkatkan biaya dan kompleksiti papan sirkuit

♪ Sebuah jurutera aras papan (dengan pengalaman sirkuit digital) diperlukan untuk membina fungsi yang diperlukan. Dalam banyak kes, jenis jurutera ini bukan ahli dalam bekalan kuasa

Guna IC pengurusan kuasa untuk tetapkan pengurusan kuasa, dan guna CPLD untuk pengawal rumah

Dalam arkitektur berfungsi ini, IC pengurusan kuasa bertanggung jawab untuk mengawasi dan urutan penyukar DC-DC papan sirkuit. Kerana pengurusan kuasa IC boleh secara langsung mengawasi tenaga bekalan kuasa, ia juga boleh melakukan fungsi penyesuaian dan marginasi. CPLD menggunakan keadaan kuasa yang baik bekalan kuasa untuk menghasilkan isyarat kawalan, keadaan, dan pengasuh rumah.

Rakaman ini sering menggunakan alat konfigurasi berasaskan GUI untuk menentukan fungsi IC pengurusan kuasa, sementara logik CPLD ditakrif menggunakan VHDL atau Verilog.

keuntungan:

Kecilkan bilangan I/O CPLD, kerana fungsi "Aktifkan" boleh dilakukan oleh IC pengurusan kuasa

♪ Ruang papan lebih murah hati, yang boleh mencapai layout yang lebih mudah dan kurang lapisan PCB

Dengan mengawasi secara langsung tegangan bekalan kuasa, pengurusan kuasa IC boleh mendapatkan maklumat kesehatan sistem yang lebih tepat dan meningkatkan kestabilan sistem

pintasan:

Pengurusan kuasa IC meningkatkan biaya BOM terutama bila komponen berbilang diperlukan

♪ Arkitektur boleh memberikan balas orient peristiwa, tetapi jika lebih dari dua ICs pengurusan kuasa digunakan, ia akan meningkatkan kompleksiti desain

▪ Pelarasan jujukan untuk desain yang lebih kompleks akan menjadi lebih sukar-terutama apabila ia datang untuk membahagi fungsi untuk ICs pengurusan kuasa berbilang

Kerana proses desain mesti menggunakan alat berbilang (GUI + VHDL/Verilog), ia mungkin memerlukan teknik berbilang, dan ia akan meningkatkan risiko desain

Guna CPLD untuk melaksanakan penjagaan rumah, dan PMBus untuk melaksanakan fungsi pengurusan kuasa berdasarkan MCU. Arkitektur menggunakan mikrokawal (MCU) untuk mengawal urutan kuasa titik muatan yang dikawal secara digital (DPOL). MCU menggunakan bas pengurusan kuasa (PMBus) untuk mengendalikan DPOL-PMBus adalah protokol komunikasi dua wayar berdasarkan bas I2C. CPLD bertanggungjawab untuk fungsi pengasuh rumah kapal dan mengawal mana-mana penyukar DC-DC titik-muatan dengan antaramuka kawalan analog (APOL). Untuk mempermudahkan rancangan perisian, kebanyakan rancangan pengurusan kuasa berasaskan MCU mengadopsi skema siri masa.

Terdapat kelemahan lain potensi pengurusan kuasa berdasarkan perisian, yang diperlukan untuk masa balas ralat yang lebih panjang (biasanya 10 hingga 15 milisaat, sementara masa balas CPLD adalah mikrosaat). Untuk kesalahan tertentu yang memerlukan masa balas yang lebih cepat (atau urutan yang orient peristiwa), CPLD boleh ditambah sebagai tindakan perlindungan kedua.

Penyesuaian pengurusan kuasa berdasarkan perisian memerlukan VHDL atau Verilog untuk perisian MCU dan desain CPLD.

keuntungan:

▪ Rakaman sangat mudah untuk disesuaikan (hanya untuk seri berasaskan masa)

▪ Peralatan pembangunan perisian yang berlebihan membuat penyelesaian berdasarkan MCU lebih cepat dan lebih selesa untuk menyahpepijat.

♪ Upgrade firmware to quickly change the design

♪ Simplify PCB design-the wiring around DPOL is more surplus

pintasan:

♪ Lebih mahal biaya BOM

Sulit untuk menyesuaikan rancangan untuk keperluan urutan-orient peristiwa

▪ “ memerlukan alat reka-reka berbilang (Perisian Verilog/VHDL+)

Ringkasan

Dengan meningkat kompleksiti rancangan sistem aras-PCB, sistem pengurusan perkakasan menganggap proporsi meningkat kedua-dua muatan kerja rancangan dan kos BOM. Penggunaan bekalan kuasa CPLD dan POL untuk melaksanakan beberapa atau semua fungsi pengurusan boleh mengurangi kesulitan disebabkan oleh trends yang disebut di atas, tetapi pada masa ini biaya telah menjadi blok penghalang. Sekarang, arkitektur pengurusan perkakasan yang disebarkan tersedia, dan CPLD boleh disambungkan dengan komponen pengesan harga rendah melalui pautan siri 3 wayar. Selain mengurangi kompleksiti rancangan, keperluan ruang PCB, dan kos BOM, arkitektur juga boleh dibina menggunakan pelbagai alat jurutera analog dan digital.