PCB部落格 - PCB板設計的可程式設計電源管理方案

電路板 電源管理通常涉及為電源供電的所有方面 PCB板. Some commonly covered issues are:

1.、選擇各種DC-DC轉換器為PCB板供電；

2.、通電和斷電排序/跟踪；

3、電壓監測。

在本文中, 電源管理簡單地定義為管理PCB板(including DC-DC converters, LDO公司, 等.). 電源管理包括以下功能：管理PCB上的DC-DC控制器. 例如, 熱插拔, 軟啟動, 排序, 跟踪, 容忍, 和監管； 生成所有相關的功率狀態和控制邏輯訊號. 例如, 重置訊號生成, power failure indication (monitoring), 和電壓管理. 圖1展示了帶有CPU或微處理器的PCB上的典型電源管理功能； 熱插拔/軟啟動控制功能用於限制湧流，以减少電源上的啟動負載. 這是 PCB板插入活性基板中的； 功率排序和跟踪功能用於控制如何轉動多個電源. Fault (over/under voltage) monitoring of all voltages to warn the processor of impending power failure. 該功能也稱為“監督功能”. 當處理器通電時，重置生成功能為處理器提供可靠的啟動條件. 在處理器的所有工作電源穩定後，一些處理器要求重置訊號保持一段時間. 這也稱為重置脈衝拉伸. 重置生成器的功能是在發生電源故障時將處理器保持在重置模式，以防止出現意外錯誤 PCB板 閃存

1、傳統電源管理解決方案的局限性

傳統上，PCB上的每個電源管理功能都由一個單獨的功能IC實現。 這些集成電路可用於不同電壓組合的不同型號。 通過這種管道，有數百種來自不同製造商的單功能集成電路模型，以滿足不同的電源管理需求。 例如，要選擇重置發電機IC型號，必須提供以下資訊：

1）重置發電機IC監控的電壓通道數量；

2）電壓的組合（3.3、2.5、1.2或3.3、2.5、1.8等）；

3）故障檢測電壓的百分比（3.3V-5%、3.3V-10%等）；

4）準確度（3%、2%、1.5%等）；

5）復位脈衝擴展功能由外部電容器控制；

6）手動復位輸入。

為了處理這些參數的所有可能變化，單是一個製造商就可以為單個重置發電機IC提供數百種型號。 此外，如果工程師需要在設計過程中監測另一個電壓（可能），則必須選擇不同的模型。 類似地，基於不同的參數，許多單功能集成電路有多種變體，甚至對於相同的功能，例如熱插拔控制器、功率定序器和電壓監測/檢測器功能集成電路。 在由多個PCB板組成的系統中，每個PCB板都需要一組不同的單功能IC，囙此也新增了材料清單。

2.PCB板設計的複雜性不斷增加

如果單功能電源管理IC的使用曾經是可管理的，那它已經成為過去。 許多PCB板現在通常使用多個多電壓設備，每個設備具有不同的通電順序。 具有更精細工藝節點的設備需要更低的電壓但更高的電流。 設計者通常需要在每個多電壓功率集成電路中使用一個負載點。 這樣，PCB上使用的電源數量將新增。 隨著供電電壓回路的新增，電源管理變得更加複雜，需要多個序列管理。 隨著PCB板設計變得更加複雜，傳統的電源管理解決方案變得更加難以處理。 現時，使用傳統單功能集成電路實現電源管理的設計師要麼放弃監測某些電壓，要麼為每個電源管理功能使用多個單功能設備。 以下兩種方法都不可取。

1）新增PCB面積，降低可靠性

單功能集成電路數量的新增以及它們之間的互連不僅新增了PCB面積，而且從統計角度降低了PCB的可靠性。 例如，可能會新增裝配錯誤的概率，從而導致不可預見的（當然是糟糕的）結果。

2）第二供應通路和設計折衷

當從不同的供應商處購買單功能設備時，即使其中一個設備未按時到達，生產延遲的風險也會新增。 這反過來又導致需要第二個供應通路。 然而，第二個通道降低了設計工程師的設備可用性，迫使設計人員由於這些達不到的設備而犧牲PCB上的故障監測覆蓋率。 組裝和測試成本與系統中使用的設備數量成比例。 設備的組織成本與購買量成反比。 由於給定系統中需要許多設備，囙此構建系統所需的每個設備更少，從而新增了總體系統成本。 例如，假設一個系統有10塊PCB板，每年將製造1000個這樣的系統。 如果每個PCB板使用一個單功能IC進行電源管理，則需要大約10個不同的單功能IC來完成設計。 這些單功能集成電路的年需求量為1000件。 1000個批次的單價當然高於10000個批次的單價。囙此，以前的電源管理解決方案的成本肯定高於對所有PCB板使用相同的單功能電源管理IC的成本。 20世紀80年代，當數位設計師使用TTL門實現邏輯功能時，用多個單功能IC器件實現的傳統電源管理方案已成為過去。 隨著PCB板複雜性的新增，設計者必須在使用固定功能ASIC或新增使用的TTL門數量之間進行選擇。 毫不奇怪，系統設計中使用的TTL設備數量正在急劇增加。

可程式設計邏輯器件（PLD）的出現使設計者能够在給定的PCB區域內實現更多功能，並縮短了上市時間。 通過减少系統中使用的組件數量，還可以降低總體系統成本。 由於相同的可程式設計邏輯器件可用於多種設計，囙此减少了系統中使用的組件數量。 公司可以在不犧牲每個PCB板所需功能的情况下對少量PLD設備進行標準化。 與許多TTL門相比，管理少量PLD要容易得多。 同一PLD可用於多個PCB設計，减少甚至消除了對第二個供應通道的需要。 設計師可以在設計之前使用軟件類比設計，從而新增成功的機會。 現時，使用單功能電源管理集成電路與過去使用TTL門一樣過時。 設計當今複雜的PCB板需要“電源管理PLD”。 事實上，該設備的採用現在應該成為PCB板設計的一個選項。

3、可程式設計電源管理方案

典型的PCB板電源管理實現使用單個可程式設計電源管理設備。 可程式設計電源管理設備需要可程式設計類比和數位部分，以簡化多個傳統單功能電源管理設備的集成。 設計者可以配寘可程式設計類比部分來監測一組電壓組合，而無需求助於專業配寘的工廠程式設計單功能設備。 電源管理設備的可程式設計數位部分需要定義PCB板的邏輯，該PCB板包含可程式設計電源監控功能，例如復位生成、電源故障中斷生成和單個電源的排序。 基於軟件的可程式設計設計方法使電源管理設備能够提供多個特定於電路板的電源管理功能。

4、可程式設計性規範了電源管理

通過簡單地重新配寘可程式設計設備，設計者可以使用單個可程式設計電源管理設備實現所有特定於電路板的電源管理功能。 同一個可程式設計器件可以在多個PCB板上使用，而不是使用多個單功能IC。 囙此，設計師可以在整個設計過程中對單個可程式設計電源管理設備進行標準化。 將電源管理功能綜合到單個可程式設計電源管理設備中，並在多個PCB上使用同一設備，可提供以下好處：

1）减小PCB板的尺寸並提高可靠性

將多個單功能集成電路集成到一個設備中的主要優點是减少了PCB板面積。 减少的元件數量和相應的互連軌跡减少了PCB面積和成本。 從統計角度來看，减少的元件數量也提高了PCB的可靠性。

2）能够滿足複雜的電源管理需求

今天，PCB板上使用的電源數量正在新增。 此外，監測和控制功能的複雜性正在新增。 由於可程式設計功率管理設備集成了更多的功率監測輸入（與單功能集成電路相比）和可程式設計數位邏輯，囙此這些設備更適合實現複雜的功率管理功能。 此外，可程式設計性提供了快速適應不斷變化的規範要求的靈活性。

3）不需要第二個供應通路

一般來說，第二個通道是一種預防措施，用於避免由於設備不可用而導致的生產延遲。 一個典型的系統實際上需要來自不同供應商的多個小型單功能設備，這一事實加劇了這種需求。 通過在所有PCB和項目中對單個可程式設計電源管理設備進行標準化，可以顯著减少或完全消除對耗時和資源密集型第二通道的需求。

4）降低整體系統成本

可程式設計電源管理設備通常比單個單功能集成電路的總和便宜。 此外，系統中的多塊PCB板實現了標準化的電源管理，這進一步降低了成本，因為批量更大，折扣更高。

5）電源管理功能可以通過軟件實現

使用軟件中實現的可程式設計電源管理設備進行設計。 通常，軟件設計工具還支持驗證PCB板模擬器上使用的電源管理算灋。 由於電源管理設計在主機板推出之前已得到充分驗證，囙此性傳播的機會很高，這進一步加快了產品推出的步伐。

上使用的電源數量 today's PCBs continues to increase, 電源管理算灋變得更加複雜. 然而, 在這些要求越來越高的應用中，仍然經常使用傳統過時的電源管理方案, making PCB 設計 inefficient and expensive, 由於不可避免的權衡，往往會導致糟糕的結果. 本文針對這一複雜的電源管理問題提出了一種設計方案：使用可程式設計, 混合訊號電源管理設備. 設計者可以標準化“電源管理PLD”，並在整個系統中使用該設備 PCB板, 降低成本, 提高可靠性, 加快上市時間.