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系統(tǒng)工程師正受到降低成本和提高電路板可靠性的壓力。一個(gè)經(jīng)常被忽視的應(yīng)對措施是減少為 FPGA、 微處理器和數(shù)位訊號處理器進(jìn)行電源監(jiān)控而使用的元件數(shù)量。

 

新穎的高整合度可編程電源電路將重定產(chǎn)生、看門狗計(jì)時(shí)器(WDT)和電壓監(jiān)控器 IC 整合在單個(gè)元件之中。這種更高水淮的一體化方案有助于降低系統(tǒng)成本，解決了PCB設(shè)計(jì)人員所關(guān)心的可靠性問題。本文探討了將可編程邏輯， ADC 和 DAC 合并的創(chuàng)新解決方案，它使電源管理功能具有更高的精確性，同時(shí)還降低了成本。

 

電源管理的挑戰(zhàn)

一個(gè)典型的 CPU 電源電路如圖一所示。對于典型的 DSP、 FPGA 或微處理器而言，各種電源電壓要求為：元件的核心電壓為 1.2V、輔助電壓和 PLL 電壓為 3.3V、 I/O 驅(qū)動電壓為 1.5V 和 1.8V。常見的供給設(shè)計(jì)的電壓是源于單一的 5V 輸入電源，透過一系列 DC-DC轉(zhuǎn)換器提供各種電源電壓。為了提供如同單電源印刷電路板一樣的可靠性，必須對電路板上的所有電源進(jìn)行監(jiān)測，并能產(chǎn)生正確的 CPU 重定信號或電源故障中斷信號。

圖一 典型的電源管理電路

 

圖一所示的電壓監(jiān)控區(qū)塊是一顆 IC，電源發(fā)生故障時(shí)，或手動切斷電路板的電源，它會發(fā)訊號給 CPU。如果任何一個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障，會引起電壓升高或降低，超出正常工作電壓的范圍，這會導(dǎo)致 CPU 不能正常執(zhí)行程序。

 

對 CPU 而言，一個(gè)潛在的最糟糕情況是非揮發(fā)性記憶體被改寫，使系統(tǒng)無法啟動。如果電源發(fā)生故障時(shí)，能夠中斷 CPU，那么就能安全地中止當(dāng)前的任務(wù)，為可靠的重新啟動保存重要的資訊。

 

許多廉價(jià)的電壓監(jiān)控器 IC 通常有一個(gè)被忽視的負(fù)作用，對于電壓變化，監(jiān)控器的閾值將影響整個(gè)系統(tǒng)的容差。圖二說明了這種情況，核心電壓的規(guī)格為 1V +/-5% 。如果 CPU 核心電壓低于 0.95V，就要求監(jiān)控器必須發(fā)出一個(gè)中斷訊號。

 

然而，考慮監(jiān)控器的閾值精度，電壓變化的整個(gè)容差降低了。在這個(gè)例子中，該監(jiān)控器的閾值為 0.95V+2%/-3% (0.97V~0.93V)。使用這種監(jiān)控 IC 時(shí)，該閾值應(yīng)設(shè)置成 0.97V ，這就限制了 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的容差。

圖 2 核心電壓規(guī)范與監(jiān)控器閾值的比較

 

圖一中的重定發(fā)生區(qū)塊是另一種較常見的離散 IC，當(dāng)所有電壓穩(wěn)定后，它向 CPU 發(fā)出釋放重定輸入訊號。在所有電源穩(wěn)定之后，CPU 繼續(xù)保持重定模式一段時(shí)間是常見的情況。例如，Power Good 信號有效后，Intel Atom 處理器期待“脈沖延伸”兩個(gè)毫秒的復(fù)位脈沖。只有到那個(gè)時(shí)刻，CPU 才開始執(zhí)行程序。

圖一的最后一顆離散 IC 是看門狗計(jì)時(shí)器。如果主程序沒有對監(jiān)視器進(jìn)行定期服務(wù)，這個(gè)計(jì)時(shí)元件觸發(fā)系統(tǒng)重定。其目的是將系統(tǒng)從暫停狀態(tài)恢復(fù)為正常運(yùn)行。

 

提升電源管理的靈活性并降低成本

有各種各樣的電源，復(fù)位和看門狗計(jì)時(shí)器應(yīng)用的需求，因此這些情況已導(dǎo)致元件供應(yīng)商提供大量的離散數(shù)位和混合訊號元件，旨在幫助PCB設(shè)計(jì)人員應(yīng)對電源管理的挑戰(zhàn)。但是，采用離散式電壓監(jiān)控器、重定和計(jì)時(shí)器電路會增加印刷電路板布局的復(fù)雜性，還會提高成本。

 

由于板級寄生作用和電源的開關(guān)，電壓波動是正常的電源特性，設(shè)計(jì)師采用的削減成本的措施之一是使用不太精確、成本更低的電壓監(jiān)控元件。然而，變化超過 1%的廉價(jià)監(jiān)控器閾值會降低系統(tǒng)的電源紋波容差，并導(dǎo)致重定條件比實(shí)際需要多。

 

在一些設(shè)計(jì)中，另一個(gè)降低成本的措施是不監(jiān)測所有的電壓幅度，期望在正常工作期間，DC-DC 轉(zhuǎn)換器沒有故障。這是另一個(gè)例子，雖然降低了成本，可靠性卻受到了損害。電路板的變化往往迫使PCB設(shè)計(jì)人員重新設(shè)計(jì)電源管理電路，每次設(shè)計(jì)都要使用各種零組件。

 

使用功能固定的離散 IC 的重新設(shè)計(jì)，常常意味著要備有更多合格的元件，形成了很大的庫存量。

許多電源管理電路設(shè)計(jì)存在著固有的缺點(diǎn)，因而設(shè)計(jì)者萌生了將復(fù)雜可編程元件與高精度類比電路整合在同一元件上的想法?？删幊淘闋顟B(tài)機(jī)或布林邏輯描述的各種邏輯時(shí)序提供了靈活性。有非常精確的可編程中斷點(diǎn)的改進(jìn)型閾值監(jiān)控器，使同一晶片可用于更廣泛的電源監(jiān)控應(yīng)用?？傊?，可編程的電源管理積體電路可幫助PCB設(shè)計(jì)人員使具有普遍性的電源管理解決方案標(biāo)淮化。

 

可編程電源管理 IC 實(shí)例

萊迪思半導(dǎo)體的 Power Manager II 是高整合度的產(chǎn)品，而且提升了許多板級監(jiān)控積體電路的精確性。這些電源管理元件將精密故障監(jiān)測電路、CPLD 和 ADC/DAC 電路集整合于同一元件中。例如， Power Manager II 中的一個(gè)產(chǎn)品可監(jiān)控多達(dá) 6 個(gè)電源，并提供 7 個(gè)數(shù)位輸出。使用具有 4 個(gè)可編程計(jì)時(shí)器的可編程邏輯元件區(qū)塊，該元件可以產(chǎn)生 CPU 重定信號，包括脈沖延伸和電源故障中斷信號。

 

7 個(gè)輸出中的兩個(gè)可配置成高電壓 MOSFET 驅(qū)動器，另外 5 個(gè)輸出可配置成輸入。還有兩個(gè)通用數(shù)位輸入端，可用于其他控制功能(參考圖三 ) 。

圖 3 POWR607 結(jié)構(gòu)圖
 

這種整合電源 IC 取代了如前所述的三個(gè)電壓監(jiān)控器、重定發(fā)生器和看門狗計(jì)時(shí)器電源管理 IC，而且成本較低。在某些情況下，甚至取代兩個(gè)離散 IC 可能會得到一個(gè)更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)。電源管理 IC 的整合性能不但有助于節(jié)省時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，而且還可用于多種設(shè)計(jì)。

 

Power Manager II POWR607 元件的 6 個(gè)電壓監(jiān)控器( VMON )都是可以獨(dú)立可編程的。中斷點(diǎn)比較器提供 192 可編程點(diǎn)，整個(gè)范圍為 0.667V 到 5.811V 。電源關(guān)閉之后，每個(gè)都提供一個(gè) 75mV 零檢測選擇，以確定電源輸出是否已經(jīng)衰退到無效的情況。當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，如果被監(jiān)測的電壓大于中斷點(diǎn)設(shè)置，每個(gè)比較器輸出一個(gè)邏輯高電平至可編程元件。

 

比較器提供設(shè)定點(diǎn)的滯回約 1%，以減少由電路板引入的輸入雜訊造成的誤觸發(fā)，以及由于開關(guān)電源而引起的正常電源紋波。過電壓和欠電壓斷路點(diǎn)是可編程的，反映了被管理的DSP/FPGA/微控制器的容差。

每顆電壓監(jiān)控器提供了一個(gè)數(shù)位濾波器，可以延時(shí)比較器的輸出，以避免假的觸發(fā)條件。

 

針對 CPU 的看門狗計(jì)時(shí)器功能提供了一個(gè)內(nèi)置的振盪器和可編程計(jì)時(shí)器電路，設(shè)定時(shí)序間隔范圍為 32 微秒到 2 秒 。

已經(jīng)證實(shí) Power Manager II 元件對從事數(shù)位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程師以及類比電源設(shè)計(jì)者頗具吸引力，它提供了一個(gè)簡單的軟件可編程界面。一個(gè)示意框圖可以讓設(shè)計(jì)者用對話方塊配置類比區(qū)塊，一個(gè)方程構(gòu)造器就能夠容易地構(gòu)建復(fù)位時(shí)序。

 

該元件提供了在系統(tǒng)編程(ISP)的 JTAG 界面，并可支援標(biāo)淮的 JEDEC 檔案格式。 當(dāng)元件已安裝在電路板上時(shí)，可透過 ISP 界面對電路的功能進(jìn)行修改或升級。透過 JTAG 鏈，它比傳統(tǒng)的離散 IC 具備更好的可見度。

 

可重復(fù)編程電源管理器的概念有助于加速修改已有的電路板，還能減輕修改新設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。透過對大多數(shù)電源管理應(yīng)用中使用的離散 IC 的整合，可編程電源管理晶片不但提供了更好的靈活性，而且降低了零件材料成本。