标准化可编程电源管理——势在必行的现代电路板设计

什么是电路板电源管理？

电路板电源管理常常涉及给电路板供电的各个不同方面，一些常见的相关功能包括：

- 为电路板供电选择不同的DC-DC 转换器；

- 电源的上电顺序控制/跟踪；

- 电压监测；

- 所有上述选项；

在本文中，电源管理被简单地定义为对在电路板上的所有电源的管理(包括DC-DC 转换器、LDO 等等)。电源管理包括下列功能：

- 管理电路板的DC-DC 控制器，即热插拔、软启动、上电顺序控制、跟踪、极限(设置)和调节；

- 生成所有相关的电源状态和控制逻辑信号，即复位信号生成、电源故障指示(监视)和电压测量；

图1 描述了利用CPU 或微处理器在电路板上实现的典型电源管理功能。

图1：在电路板上的典型电源管理功能。

热插拔/软启动控制功能-被用于限制涌入的电流，以减轻突然施加在电源上的负载。这对要插入工作中背板的电路板是一个重要的功能。

电源上电顺序控制和跟踪功能-控制多个电源的打开/关闭，与此同时，满足电路板上所有器件的上电顺序控制的要求。

所有电源电压的故障都受到监控(过压和低压)，以把正在迫近的电源故障通知处理器。这种功能也被称为监督功能。

复位生成功能为上电的处理器提供一种可靠的启动。在所有施加在处理器上的电源稳定之后，一些处理器需要复位信号在一段延长的时间段内保持有效。这也被称为复位脉冲展宽。复位发生器的功能是在电源出现故障期间保持处理器处于复位模式，以防止因疏忽大意造成板上闪存受到破坏。

传统的电源管理解决方案的局限性

传统上，电路板上的每一个电源管理功能都是利用单独的单一功能IC 来实现的。这些IC针对每一个电源电压组合都具有单独的元器件编号，因此，为了满足多个电源管理的需求，来自不同供应商的各种单一功能IC 就有几百个元器件编号。

例如，为了选择复位发生器IC 的元器件编号，必须提供下列信息：

- 复位发生器IC 将要监测的电源电压的数量；

- 各种电源电压的组合(3.3V,2.5V,1.2V 或3.3V,2.5V, 1.8V 等等)；

- 故障检测电压(3.3V-5%, 3.3V-10%等等)；

- 精度(3%, 2%, 1.5%)；

- 利用外加电容对复位脉冲进行编程展宽的能力；

- 手动复位输入；

为了解决这些变量的所有可能变化，仅仅一个复位发生器IC 就需要几百个器件编号，何况那仅仅是来自几家供应商当中的一家。如果在设计的过程当中-照现在的样子很可能-工程师需要添加另外一个被监测电压，那么，就不得不选择增加一个不同的器件编号。类似地，针对各种单一功能IC-热插拔、电源上电顺序控制器和电压监控器/检测器-的每一个变化，各个单一功能IC 都具有许多器件编号。具有多块电路板的系统中的每一块电路板都将需要这些单一功能IC 的不同集合，从而增加了物料单(BOM)的成本。

增加电路板的复杂度

如果单一功能电源管理IC 的使用曾经是可管理的话，那个时代一去不复返了。目前，大多数电路板通常采用若干多电压器件，每一个都满足电源上电顺序控制的要求。随着工作电流的增加，较小几何尺寸的三极管需要较低的电源电压。设计工程师常常被要求经由多电压IC 使用一个负载电源点，因此，电路板中所使用的电源的数量与日俱增。随着电源轨的增加，并伴随着对多个上电顺序控制的要求，电源管理变得越来越复杂。

随着电路板越来越复杂，传统的电源管理解决方案变得越来越不实用。目前，采用传统的单一功能IC来实现电源管理功能的设计工程师，要么不得不牺牲电源的一些监测功能，要么得针对每一个电源管理功能采用多个单一功能的器件。这两种可供选择的方案都是不可接受
的。

增加电路板面积并降低可靠性

单一功能IC 的数量增长以及它们的相关互连，不仅仅增加了电路板的面积，从统计的角度看，而且降低了电路板的可靠性。例如，装配出现差错的可能性有增加的趋势，从而导致不可预测(并且总是令人不愉快的)的结果。

备用货源和折衷设计

如果从不同的供应商选择各种单一功能器件，当恰好一个元器件断货时，生产被延迟的风险就越来越大，因此，这就导致要建立备用货源。然而，备用货源反过来让设计工程师手上可用的元器件减少了，从而迫使设计工程师就电路板上的故障覆盖进行折衷。

提高系统的成本

安装和测试的成本随着系统中所采用的元器件的数量呈正比而增加。元器件的成本反比例于所获得的单元的数量。因为在给定的系统中存在许多需要的元器件，要用较少数量的每一类型元器件来构建系统，(否则的话)就会增加整个系统的成本。

例如，假设一个系统具有十块电路板，每年的制造运行率为1000个系统。如果这十块板中的每一块都采用单一功能IC来实现，那么，要完成设计可能将需要十种不同的单一功能IC。这些单一功能IC 的年运行率为每年1000。与所有电路板都采用一种多功能电源管理IC的解决方案相比，10,000片IC的价格将当然高于10,00片的价格，从而导致电源管理系统成本的增加。

TTL与PLD的类比：似乎像往日时光

回忆往事，上世纪80年代的时候，那时数字设计工程师就采用TTL门来实现逻辑功能，传统的电源管理解决方案是采用多个单一功能的IC器件来实现的。随着电路板复杂度的增加，设计工程师被迫选择固定功能的ASIC或增加电路板上所采用的TTL器件的数量。毫不奇怪，那时候用来进行系统设计的TTL器件快速增加。

可编程逻辑器件(PLD)的出现使工程师能够在电路板的给定单位面积内实现更多的功能，与此同时，缩短上市时间。在系统中所采用的元器件的数量被减少了，从而导致整体系统的成本进一步降低。同样的PLD器件可以被用于多个设计，从而减少了系统中所采用的器件的数量。各个公司在若干PLD器件上进行标准化，因而不必针对每一个电路板折衷所需要的功能。

管理较少的PLD器件远远比管理大量的TTL门要容易。同样的PLD器件可以被用于多个电路板设计，从而减少或甚至取消了对备用货源的需求。设计工程师可以在把PLD安装到电路板上之前，在软件中做仿真设计，从而提高了第一时间取得成功的可能性。

目前，利用单一功能电源管理IC就类似于过去人们对TTL门的应用。当今复杂电路板的设计需要"电源管理PLD"。的确，在电路板设计中采用这样的器件已经到了势在必行的地步。

可编程电源管理解决方案

图2所示为利用单一可编程电源管理器件实现的电路板电源管理功能。可编程电源管理器件需要可编程模拟和数字部分以便于集成多个传统的单功能电源管理器件。设计工程师可以配置可编程模拟部分以监测各个电源电压的组合，而不必采用特殊配置的、工厂编程的单功能器件。

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