PCB Блог - Программируемая схема управления питанием для конструкции печатной платы

Управление питанием печатных плат обычно касается всех аспектов, связанных с питанием печатной платы. Некоторые часто освещаемые вопросы: 

1. Выберите различные преобразователи постоянного тока для подачи питания на печатную плату; 

2. Включение и выключение последовательности/отслеживания; 

3. Контроль напряжения.

В этой статье управление питанием определяется просто как управление всем питанием на печатной плате (включая преобразователи постоянного тока, LDO и т. д.). Управление питанием включает в себя следующие функции: управление DC-DC контроллером на плате. Например, горячее подключение, плавный пуск, последовательность, отслеживание, допуск и регулирование; генерируются все соответствующие состояния питания и управляющие логические сигналы. Например, генерация сигнала сброса, индикация отказа питания (мониторинг) и управление напряжением. На рис. 1 показана типичная функция управления питанием на печатной плате с ЦП или микропроцессором. функция управления «горячей» заменой/мягким пуском используется для ограничения пускового тока и снижения пусковой нагрузки на источник питания. Это важная функция для печатных плат, которые вставляются в активные подложки; функции упорядочивания и отслеживания мощности используются для управления включением нескольких источников питания. Отказ (повышенное/пониженное напряжение) контроль всех напряжений для предупреждения процессора о надвигающемся сбое питания. Эта функция также известна как «надзорная функция». Функция генерации сброса обеспечивает надежное условие запуска процессора при включении процессора. Некоторые процессоры требуют, чтобы сигнал сброса сохранялся в течение определенного периода времени после того, как все рабочие источники питания процессора стабилизируются. Это также известно как растяжение импульса сброса. Функция генератора сброса заключается в том, чтобы удерживать процессор в режиме сброса в случае сбоя питания, чтобы предотвратить нежелательные ошибки во флэш-памяти на плате печатной платы.

1. Ограничения традиционных решений по управлению питанием

Традиционно каждая функция управления питанием на печатной плате реализуется отдельной функциональной микросхемой. Эти ИС доступны в различных моделях для различных комбинаций напряжений. Таким образом, существуют сотни однофункциональных моделей ИС от разных производителей для удовлетворения различных потребностей в управлении питанием. Например, для выбора модели ИС генератора сброса необходимо предоставить следующую информацию:

1) Количество каналов напряжения, которые должны контролироваться микросхемой генератора сброса;

2) сочетание напряжений (3,3, 2,5, 1,2 или 3,3, 2,5, 1,8 и т. д.);

3) % напряжения обнаружения неисправности (3,3В-5%, 3,3В-10% и т.д.);

4) Точность (3%, 2%, 1,5% и т.д.);

5) Функция продления импульса сброса управляется внешним конденсатором;

6) Вход ручного сброса.

Чтобы обрабатывать все возможные варианты этих параметров, могут быть сотни моделей от одного производителя для одной микросхемы генератора сброса. Кроме того, если инженеру необходимо контролировать другое напряжение (возможно) в процессе проектирования, необходимо выбрать другую модель. Точно так же многие однофункциональные ИС доступны во многих вариантах, основанных на разных параметрах, даже для одной и той же функции, например, контроллеры с горячей заменой, секвенсоры питания и ИС с функциями контроля/детектора напряжения. Для каждой печатной платы системы, состоящей из нескольких печатных плат, требуется отдельный набор этих однофункциональных ИС, что также увеличивает перечень материалов.

2. Сложность конструкции печатной платы продолжает расти

Если использование однофункциональных ИС управления питанием когда-либо было управляемым, то это дело прошлого. Многие печатные платы в настоящее время обычно используют несколько устройств с разными напряжениями, каждое из которых имеет разную последовательность включения питания. Устройства с более тонкими технологическими узлами требуют более низких напряжений, но более высоких токов. Разработчикам часто приходится использовать одну точку нагрузки на силовую ИС с несколькими напряжениями. Таким образом, количество источников питания, используемых на печатной плате, увеличится. Управление питанием становится более сложным по мере увеличения контуров напряжения питания и необходимости управления несколькими последовательностями. По мере того, как конструкции печатных плат становятся все более сложными, традиционные решения по управлению питанием становятся все более сложными в использовании. В настоящее время разработчики, реализующие управление питанием с помощью традиционных однофункциональных ИС, должны либо отказаться от контроля определенных напряжений, либо использовать несколько однофункциональных устройств для каждой функции управления питанием. Ни один из следующих двух методов не рекомендуется.

1) Увеличить площадь печатной платы и снизить надежность

Увеличение количества однофункциональных ИС и, как следствие, взаимосвязь между ними не только увеличивает площадь печатной платы, но и снижает надежность печатной платы со статистической точки зрения. Например, можно увеличить вероятность ошибок сборки, приводящих к непредвиденным (заведомо плохим) результатам.

2) Второй канал снабжения и конструктивный компромисс

Когда однофункциональные устройства приобретаются у разных поставщиков, существует повышенный риск производственных задержек из-за того, что хотя бы одно из устройств не будет доставлено вовремя. Это, в свою очередь, приводит к необходимости второго канала снабжения. Однако второй канал снижает доступность устройств для инженера-конструктора, вынуждая разработчиков жертвовать охватом мониторинга неисправностей на печатной плате из-за этих недоступных устройств. Затраты на сборку и тестирование пропорциональны количеству устройств, используемых в системе. Стоимость единицы устройства обратно пропорциональна объему покупки. Поскольку в данной системе требуется много устройств, для построения системы требуется меньшее количество каждого устройства, что увеличивает общую стоимость системы. Например, если система состоит из 10 печатных плат, в год будет производиться 1000 таких систем. Если на каждой печатной плате используется однофункциональная ИС для управления питанием, для завершения проекта потребуется около 10 различных однофункциональных ИС. Годовой спрос на эти однофункциональные ИС составляет 1000 штук. Цена за единицу в партиях по 1000 штук, конечно, выше, чем цена за единицу в партиях по 10000 штук. Следовательно, стоимость прежнего решения по управлению питанием определенно выше, чем стоимость использования одной и той же однофункциональной ИС управления питанием для всех печатных плат. Традиционные схемы управления питанием, реализованные с помощью нескольких однофункциональных интегральных схем, ушли в прошлое в 1980-х годах, когда разработчики цифровых устройств использовали вентили ТТЛ для реализации логических функций. По мере увеличения сложности печатной платы разработчикам приходится выбирать между использованием ASIC с фиксированной функцией или увеличением количества используемых вентилей TTL. Неудивительно, что количество устройств TTL, используемых в конструкции систем, резко возрастает.

Появление программируемых логических устройств (PLD) позволило разработчикам добиться большей функциональности в рамках данной области печатных плат, а также сократило время выхода на рынок. Общая стоимость системы также снижается за счет уменьшения количества компонентов, используемых в системе. Поскольку один и тот же PLD может использоваться в нескольких конструкциях, количество компонентов, используемых в системе, уменьшается. Компании могут стандартизировать небольшое количество устройств PLD без ущерба для требуемой функциональности каждой печатной платы. Гораздо проще управлять небольшим количеством PLD, чем множеством вентилей TTL. Один и тот же PLD можно использовать для нескольких конструкций печатных плат, уменьшая или даже устраняя необходимость во втором канале питания. Дизайнеры могут использовать программное обеспечение для моделирования проектов до того, как они будут представлены, что увеличивает их шансы на успех. В настоящее время использование однофункциональных микросхем управления питанием так же устарело, как и использование TTL-затворов в прошлом. Для проектирования современных сложных печатных плат требуются «PLD управления питанием». Действительно, принятие этого устройства теперь должно стать предложением для проектирования печатных плат.

3. Программируемая схема управления питанием

Типичная реализация управления питанием печатной платы использует одно программируемое устройство управления питанием. Для программируемых устройств управления питанием требуются программируемые аналоговые и цифровые секции, чтобы упростить интеграцию нескольких традиционных однофункциональных устройств управления питанием. Разработчики могут настроить программируемую аналоговую секцию для контроля набора комбинаций напряжения, не прибегая к специально сконфигурированному, запрограммированному на заводе однофункциональному устройству. Программируемая цифровая часть устройства управления питанием необходима для определения логики для печатной платы, которая включает в себя программируемые функции контроля питания, такие как генерация сброса, генерация прерываний при сбое питания и последовательность отдельных источников питания. Методология программируемого проектирования на основе программного обеспечения позволяет устройствам управления питанием выполнять несколько функций управления питанием, специфичных для платы.

4. Программируемость стандартизирует управление питанием

Просто переконфигурировав программируемое устройство, разработчики могут реализовать все функции управления питанием для конкретной платы с помощью одного программируемого устройства управления питанием. Одно и то же программируемое устройство можно использовать на нескольких печатных платах вместо использования нескольких однофункциональных ИС. В результате разработчики могут стандартизировать одно программируемое устройство управления питанием во всей конструкции. Объединение функций управления питанием в одном программируемом устройстве управления питанием и использование одного и того же устройства на нескольких печатных платах обеспечивает следующие преимущества:

1) Уменьшите размер печатной платы и увеличьте надежность

Основным преимуществом интеграции нескольких однофункциональных ИС в одно устройство является уменьшение площади печатной платы. Уменьшенное количество компонентов и соответствующие дорожки межсоединений уменьшают площадь и стоимость печатной платы. Со статистической точки зрения уменьшение количества компонентов также повышает надежность печатной платы.

2) Способность удовлетворить сложные потребности управления питанием

Количество блоков питания, используемых на печатных платах, сегодня увеличивается. Кроме того, возрастает сложность функций контроля и управления. Поскольку программируемые устройства управления питанием содержат больше входов для контроля питания (по сравнению с однофункциональными ИС) и программируемую цифровую логику, эти устройства больше подходят для реализации сложных функций управления питанием. Кроме того, программируемость обеспечивает гибкость для быстрой адаптации к изменяющимся требованиям спецификации.

3) Нет необходимости во втором канале снабжения

Как правило, второй канал — это предупредительная мера, позволяющая избежать производственных задержек из-за недоступности устройств. Эта потребность усугубляется тем фактом, что для типичной системы фактически требуется несколько небольших однофункциональных устройств от разных поставщиков. Стандартизируя одно программируемое устройство управления питанием для всех печатных плат и проектов, потребность во втором канале, отнимающем много времени и ресурсов, может быть значительно уменьшена или полностью устранена.

4) Более низкая общая стоимость системы

Программируемые устройства управления питанием, как правило, дешевле, чем сумма отдельных однофункциональных ИС. Кроме того, реализовано стандартизированное управление питанием для нескольких печатных плат в системе, что еще больше снижает затраты за счет более высоких скидок из-за больших партий.

5) Функция управления питанием может быть реализована с помощью программного обеспечения.

Разработан с использованием программируемых устройств управления питанием, реализованных в программном обеспечении. Как правило, инструмент разработки программного обеспечения также поддерживает проверку алгоритмов управления питанием, используемых в симуляторах печатных плат. Поскольку конструкция управления питанием полностью проверяется перед запуском платы, высока вероятность сексуальной передачи, что еще больше ускоряет темпы запуска продукта.

Количество блоков питания, используемых на современных печатных платах, продолжает увеличиваться, а алгоритмы управления питанием становятся все более сложными. Однако традиционные устаревшие схемы управления питанием по-прежнему часто используются в этих все более требовательных приложениях, что делает проектирование печатных плат неэффективным и дорогостоящим и часто приводит к плохим результатам из-за неизбежных компромиссов. В этой статье представлена схема решения этой сложной проблемы управления питанием: использование программируемых устройств управления питанием со смешанными сигналами. Разработчики могут стандартизировать «PLD управления питанием» и использовать устройство на всей плате системной печатных плат, снижая стоимость, повышая надежность и ускоряя время выхода на рынок.