可靠、靈活的針對(duì)復(fù)雜電路板的電源管理解決方案

電路板上電源的數(shù)量取決于VLSI所使用的多個(gè)電源的數(shù)量，它們與其它器件之間的通信速度需要電路板上有一套獨(dú)特的電源，如使用的存儲(chǔ)器類型。這是因?yàn)槊總€(gè)VLSI（ASIC/ SoC）器件需要多個(gè)電源才能正常工作（如核電壓、I / O電壓、PLL電壓、SERDES通道電壓，以及存儲(chǔ)器接口電壓）。結(jié)果，電路板上有15至25個(gè)電壓的情況并不少見。多個(gè)電源的電路板通常需要實(shí)現(xiàn)電源管理功能，包括電源定序、電源故障監(jiān)測、微調(diào)和裕度調(diào)整。有些電路板可能需要增強(qiáng)的電源管理功能，如電壓升降調(diào)整，電源故障的非易失性記錄和后臺(tái)時(shí)序更新。

電路板電源管理的要求

在圖1所示的線卡中，有四個(gè)主要的集成電路和一些粘合邏輯。每個(gè)集成電路都需要多個(gè)電源，并有定序的要求。這塊電路板有14個(gè)電源電壓，需要進(jìn)行監(jiān)測、定序、微調(diào)和裕度調(diào)整。此外，電路板的設(shè)計(jì)還需要將任何意想不到的電源故障記錄在非易失性存儲(chǔ)器中。

最初設(shè)計(jì)電路板的電源管理算法時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常只考慮器件相關(guān)的時(shí)序。這是因?yàn)殡娐钒逶O(shè)計(jì)人員不知道不同電壓的電源定序的相互依存關(guān)系。在一般情況下，在調(diào)試過程中要確定電源定序，可編程定序解決方案應(yīng)該能夠適應(yīng)原來的定序算法的以下變化：

- 開啟每個(gè)電壓或一組電壓之間的時(shí)間延遲

- 重新定序- 例如如果原來設(shè)計(jì)的序列為1，2，4，5，3，那么新的順序應(yīng)該能夠定序?yàn)?，3，5，1，4

- 關(guān)閉電源的定序－以相反的順序關(guān)閉電源（這是必要的，以盡量減少損壞集成電路）

- 最大限度地減少集成電路（需要多個(gè)電壓）部分被供電的情況，這取決于給定器件的電源故障。例如，如果電源3有故障，那么要立即關(guān)閉電源4，然后關(guān)閉電源1和2。如果電源1有故障，那么按順序關(guān)閉電源2，3，4。

- 生成電源良好的指示，使各種器件開始工作。例如，CPU需要電源良好的信號(hào)，不僅內(nèi)核電壓是好的，而且DDR存儲(chǔ)器電壓，PLL和IO電壓都是好的。

- 能夠監(jiān)測數(shù)字信號(hào)來完成定序。例如，在給DDR電源上電之前，等待數(shù)據(jù)包處理ASIC的PLL鎖定。

- 通過數(shù)字控制信號(hào)（或邏輯組合）根據(jù)需要啟動(dòng)電源關(guān)閉，例如，前面板關(guān)機(jī)信號(hào)。

圖1 - 通信線路卡的主要集成電路和電源的要求

所有的電源都打開之后，電路板開始正常工作，電源管理部分應(yīng)開始監(jiān)測電源的故障。當(dāng)任何一個(gè)電源出現(xiàn)故障，然后根據(jù)發(fā)生故障的電源，CPU應(yīng)該中斷或復(fù)位以防止閃存損壞。電源管理算法的監(jiān)測部分應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：

- 以1％或更好的精度確定任何按裝在電路板上的電源的故障，以盡量減少虛假的故障指示，最大限度地減少由于監(jiān)控器的精度限制而錯(cuò)過了電源故障。此故障指示可用于產(chǎn)生中斷復(fù)位到CPU。

- 由于電源管理電路和裝在電路板上的電源之間存在地電壓差，使用差分信號(hào)檢測較低的電源電壓（1.5V或以下），以盡量減少錯(cuò)誤。

- 在100毫秒內(nèi)報(bào)告故障，最大限度地減少由于故障電源引起的數(shù)據(jù)和/或指令的持續(xù)時(shí)間。

- 將故障與監(jiān)控信號(hào)相聯(lián)系。例如，如果電源1，2，3或4有故障，就激活復(fù)位信號(hào)。但是，如果電源12有故障，只中斷CPU，以防止傳輸錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。

故障記錄功能應(yīng)該記錄整個(gè)電路板斷電的主要原因。通常在一塊電路板上的初始故障會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)。例如，如果電源1有故障，電路板關(guān)機(jī)功能開始根據(jù)編程的電源關(guān)閉順序關(guān)閉其余的電源。如果故障記錄電路對(duì)電源故障的反應(yīng)速度足夠快，捕獲的情況將顯示電源1有故障，以及其余的電源工作正常。但如果故障記錄電路的響應(yīng)時(shí)間緩慢，它會(huì)記錄電源2，3和4都有故障。這樣的故障情況是沒用的。故障記錄電路應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

- 準(zhǔn)確找到任何電源故障（<1％的誤差），以增加捕獲的故障情況的可靠性

- 在100微秒內(nèi)啟動(dòng)故障記錄過程，盡量減少原始故障對(duì)捕獲情況的后續(xù)影響。

電源管理實(shí)現(xiàn)示例

一個(gè)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電源管理的常用方法（圖2）是使用DC-DC轉(zhuǎn)換器的電源良好信號(hào)，以監(jiān)測這個(gè)電源，并使用CPLD來實(shí)現(xiàn)定序算法（控制DC-DC轉(zhuǎn)換器的使能信號(hào)）。CPLD也產(chǎn)生監(jiān)測信號(hào)，如電源就緒/故障電壓中斷和復(fù)位信號(hào)。

圖2：使用電源良好信號(hào)對(duì)比電源管理監(jiān)測實(shí)際電源電壓

優(yōu)點(diǎn)：

- 滿足所有的定序要求

- 電源的數(shù)量可擴(kuò)展

- 電源上電或電源關(guān)閉的定序算法的大小/復(fù)雜性沒有限制

- 定序算法可以與電源定序之間的監(jiān)控信號(hào)（電源良好/故障電壓指示）交錯(cuò)

- 由任意數(shù)量的數(shù)字輸入控制定序和監(jiān)測算法

- 在現(xiàn)場系統(tǒng)可以更新定序算法而不中斷電路板的工作

缺點(diǎn)：

- 有效的“電源良好”信號(hào)并不意味著電源工作在集成電路正常工作的范圍內(nèi)。大多數(shù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的電源良好信號(hào)有8％至20％的監(jiān)測誤差。但是大多數(shù)集成電路的電源容差是在3至5％之間。例如，1.2V電壓的實(shí)際電壓（核電壓）可以低于額定值的10％（1.08V），但DC-DC轉(zhuǎn)換器電源良好信號(hào)可以指明電源是好的，CPLD可能未激活其復(fù)位信號(hào)。因此，CPU可能會(huì)掛起，并重寫閃存的一個(gè)部分（閃存訛誤）。DC-DC轉(zhuǎn)換器的電源良好信號(hào)不應(yīng)該被用來作為電源電壓故障指示，產(chǎn)生監(jiān)控信號(hào)，諸如“復(fù)位”或“低電壓中斷”。

- 即使電源電壓處于運(yùn)行容差之前，通常一些集成電路是能夠工作的，。因此，定序算法等待一個(gè)額外的時(shí)間，使該集成電路板可靠地啟動(dòng)。

- 增加軟件的調(diào)試時(shí)間- 由于精度差的CPU的電源良好信號(hào)和存儲(chǔ)器電源，會(huì)發(fā)生閃存訛誤的情況。很難區(qū)分是軟件錯(cuò)誤，還是由于故障電源引起的意想不到的程序執(zhí)行情況。因?yàn)闆]有辦法確定硬件的電源故障，在歸咎于故障電路板之前，軟件工程師浪費(fèi)了時(shí)間，責(zé)怪由于閃存訛誤產(chǎn)生了軟件錯(cuò)誤。這可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)布時(shí)間的延遲。

用Platform Manager實(shí)現(xiàn)分布式檢測和集中控制

圖3展示了遠(yuǎn)程傳感和實(shí)施集中控制。這種架構(gòu)類似圖2所示的電路方案。由于比較器和ADC的整合，這種方案需要的元件數(shù)量最少。此解決方案使用了一片萊迪思的Platform Manager和兩片萊迪思的Power Manager集成電路，實(shí)現(xiàn)了多達(dá)36個(gè)電壓的電源管理。

萊迪思的Platform Manager器件集成了對(duì)12個(gè)電源電壓的監(jiān)測，一個(gè)48宏單元的CPLD和一個(gè)640 LUT的FPGA。Power Manager器件可用于檢測和控制多達(dá)12個(gè)負(fù)載電源。整個(gè)電源管理算法在Platform Manager內(nèi)的FPGA部分實(shí)現(xiàn)。Platform Manager還支持電源的微調(diào)和裕度調(diào)整。

圖3使用Platform Manager的分布式電壓檢測和集中控制

優(yōu)點(diǎn)：

- 完全靈活的定序支持多達(dá)36個(gè)電壓，因?yàn)樵贔PGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)中央電源管理。對(duì)每個(gè)電源故障情況的時(shí)間調(diào)整或定序響應(yīng)沒有限制。

- 可靠無折衷的產(chǎn)生靈活的監(jiān)控信號(hào)，因?yàn)殡妷罕O(jiān)測精度為0.7％。此外，因?yàn)镻latform Manager 和Power Manger器件支持差分電壓檢測，精度不會(huì)因?yàn)殡娐钒迦魏尾糠种g的接地電壓差而受到影響。

因?yàn)樗须娫垂收蠣顟B(tài)都被發(fā)送到FPGA，對(duì)任何故障的算法響應(yīng)用100微秒的時(shí)間，能夠立即產(chǎn)生監(jiān)控信號(hào)。這樣的速度，再加上很高的監(jiān)測精度，最大限度地減少了閃存訛誤的機(jī)會(huì)。

- 電路板上任何電源故障或其他任何故障可以在100微秒內(nèi)記錄到非易失性存儲(chǔ)器。這將確保故障捕獲情況中包含了主要故障。

- 電源管理算法可以使用HDL代碼實(shí)現(xiàn)或使用簡化的算法開發(fā)工具，稱為LogiBuilder來實(shí)現(xiàn)?？梢詫?duì)該程序充分進(jìn)行模擬，對(duì)算法可以進(jìn)行微調(diào)：最大限度地減少電路板由于錯(cuò)誤而重新返工的風(fēng)險(xiǎn)。

電源管理算法可以在系統(tǒng)內(nèi)更新，而不中斷電路板的工作。該器件還存儲(chǔ)了一個(gè)“golden image”，所以如果在系統(tǒng)更新被中斷，電路板的電源被重新啟動(dòng)，該電路板使用這個(gè)golden image重新工作。

Platform Manager 和the Power Manager之間的通信很簡單，萊迪思提供了參考設(shè)計(jì)。用戶只需添加此參考設(shè)計(jì)到實(shí)際的電路板的電源管理算法。該參考設(shè)計(jì)提供自動(dòng)管理所有器件之間的通信，而不干預(yù)主要電源的管理算法

總結(jié)

要求CPLD對(duì)電路板上超過12個(gè)電壓實(shí)現(xiàn)電源管理功能，如定序，復(fù)位產(chǎn)生等功能。這些設(shè)計(jì)取決于電路板上按裝的DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電源良好信號(hào)，用以監(jiān)控這些電壓。然而，精度差的這些電源良好信號(hào)會(huì)導(dǎo)致電路板功能的可靠性大大降低。增加電路板的可靠性可以通過用精確的比較器替代這些電源良好信號(hào)，監(jiān)控DC-DC轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出電壓。

本文闡述了一個(gè)可擴(kuò)展、在系統(tǒng)可升級(jí)，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電源管理架構(gòu)，能夠滿足在一塊復(fù)雜的電路板上超過12個(gè)電壓的電源管理要求。通過使用萊迪思的Platform Manager 和Power Manager器件，提高了電路板功能的可靠性，能夠準(zhǔn)確的監(jiān)控DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓（使用片上精密比較器），而無需折衷FPGA內(nèi)的電源管理算法。