面向系统的板级电源管理方法：CompactPCI电路板的电源管理案例研究

电源管理的挑战

由于电路板组件集成了越来越多的子系统，他们的电源分配和管理系统的复杂性不断上升。由于这些系统变得越来越复杂，传统的固定功能的以硬件为中心的电源管理方案很快变得相当笨拙。另一种方法是用自上而下的，需求驱动的办法来解决设计问题。取代试图围绕一个或多个固定功能的集成电路来设计电路板的电源管理功能，设计人员用独立的物理和逻辑功能来定义系统，根据这些功能来推动设计。用这样的方法进行设计需要更新设计理念，系统的控制逻辑从硬件转移到固件或软件。而且，这些优点是减少了所需元器件的数量、降低了系统的成本，在适应无法预料的需求方面具有更大的灵活性。

本文介绍了这个面向系统的方法的实例，将其应用到CompactPCI（cPCI）板级电源管理，其中包括热插拔功能。

基本的CompactPCI电路板的电源管理

图1展示了一个支持热插拔的cPCI板的电源管理系统的顶层设计图。当这块电路板插到背板时，热插拔控制器必须完善地执行以下的操作：  

1）测试cPCI总线电源处于稳定状态，且用/BRD_SEL信号使电路板就位。这些条件得到满足时，控制器可以连接电路板的电源系统到总线电源。对于电路板吸取大电流的电源线路，电源管理可能还需要控制电压上升率，以防止在系统中可能瞬态破坏其他电路板的运作。

2）监控cPCI总线的控制信号，尤其是/PCI_RST。电源管理器必须使本地复位信号/LOCAL_PCI_RST有效，在所有电路板级电压稳定之后，保持一定的时间，以确保电路板上的系统正确初始化。

3）监控板上的电源电压，电流和电路板上子系统的状态信号，以确定一切是否正常工作。如果是这样的情况，那么控制器可以使cPCI总线上的HEALTHY信号有效。在出现故障情况下，该控制器需要以尽量减少潜在损害的方式作出反应。


　
图1即使是一个简单的cPCI电源管理系统也有各种需求，专门功能的控制芯片可能不满足这些要求。例如，1.8V和1.2V的POL转换器的时序要求将需要额外的控制电路。

相反，当热插拔控制器检测到电路板正在从系统中拔出，在电源连接器断开之前，必须确保电路板边缘的电源已脱开。不这样做话就会在背板的电源上产生电弧和瞬变，可能会干扰其他正在运作的电路板。  

在实际的热插拔控制系统中，即便是一个简单的系统，还有其他一些重要细节可能需要控制器进行处理，例如如果未能妥善处理过流检测的情况，可能影响系统中的其他电路板。如果对于cPCI系统使用专用功能的cPCI热插拔控制器，通常提供（但不总是）上面所述的基本时序和诊断功能。如果电路板能够在一个约束的专门功能的热插拔控制器内工作，这也许是最简单的解决办法。　

CompactPCI的电路板电源管理不仅仅是热插拔控制

随着板级集成度的不断提升，对电源管理的作用和复杂性的要求也越来越高。多个器件可能需要遵循特殊的上电和断电时序。甚至使用多个电压支持核和I/O电路的单芯片可能需要专门的时序。通过使用DC-DC转换器及负载点(POL)稳压器，往往是在本地电路板上提供多个电源，并可能需要单独的监测和控制功能。　

设计用于不间断计算和通信应用中的系统带来了额外的电源管理问题。例如，电路板上一个子系统中的一个元件失效时，它可能只需要能够关闭有故障的子系统，而允许电路板上的其它子系统继续工作。

实现设计的一种方式是开始用一个或多个'标准'的电源管理集成电路，支持所需的单个功能，然后再设计一个协调它们运作的系统。根据协调的复杂性，实现可能是简单的粘合逻辑，或复杂的微控制器和支持固件（图2）。


图2电源管理系统可以通过组合标准的电源管理集成电路与顶层控制功能来实现。虽然简单设计是可行的，当人们试图提供独立控制器的各种功能和接口需求时，这种方法很快变得无法控制。

虽然这种ad-hoc方式可能会形成一个有用的设计，但是可能由于未使用的功能和复制的功能，以及大的封装而造成不必要的费用。此外，即使最终能够与微控制器相协调，这种解决方案的硬连线的性质会使人难以逐步修改设计来解决问题，或支持产品的迁移。  

面向系统的方法

取代从一个或多个预先定义的控制器集成电路实现电源管理系统的方法，更有效的方法是首先考虑需要那些基本功能，以支持电源管理系统。这些功能可以分为支持硬件测量和控制的资源，支持时序和组合处理创建的逻辑运算。表1列出了需要实现电源管理的最常见的部分功能。  
表1 通用电源管理功能



分解电源管理系统的要求至上述功能可以更容易、简洁地定义设计。第一步是确定所需关键功能的类型和功能，如电压和电流监测点和数字I/O。下一步是确定对每个资源的具体要求。对于图1假设的cPCI电源系统，需要以下的资源（表2）：　

表2用于cPCI电源管理的资源



下面的设计实例将使用莱迪思半导体公司的ispPAC Power Manager II系列，ispPAC-POWER1220AT8。基于工业标准的基于宏单元的CPLD架构，这个器件针对电源管理应用进行了优化，集成了专门的I/O，如可编程电压监视输入和high-side　MOSFET驱动器输出功能。图3展示了ispPAC-POWER1220AT8 (U1)的示意图，它和相关器件配置为用作cPCI的热插拔控制器，以及次级电源监控和时序控制器。　

由于Power Manager II是可编程的，在分配功能至特定的I/O引脚方面有很大的灵活性。由于这个原因，出于明确起见，U1的脚被赋予相应的描述性的标签，在此特定应用中对应它们的编程功能。在其他应用中，该器件的引脚可通过使用莱迪思的PAC-Designer设计软件赋予不同的功能和相应的名称。  



图3莱迪思半导体公司的ispPAC-POWER1220AT8支持cPCI电源管理系统所需的主要功能。对于电源开关，电流监测和高电压接口（+/- 12V）功能需要外部的有源器件。

对于这个设计，需要一些外部的有源器件，以支持电源开关，高电压（+/- 12V）接口，或电流测量功能。 MOSFET　M1－ M4处理实际的负载开关。对于M1和M2，Power Manager II的电荷泵MOSFET驱动器输出可以产生足够的电压对它们直接控制，通过MOSFET的栅极电压的斜率控制，也可以提供软启动功能。M3 和M4用来切换+/-12V 电压, 需要用外部的元器件来实施电平的转换。 　

U1的电压监控输入可直接检测0至5.75V的电压范围，可用于直接监测多个电源电压。但是在+12V电源供电的情况下，需要有一个外部电阻分压器，将12V电压降至一个合适的范围。使用电阻分压器转换到3.3V正电压，也可以检测-12V电源电压。外部电流传感电阻（RSENSE1，RSENSE2）和电流检测放大器（U2，U3）能够监测3.3V和5V电源线上的电流。

除了Power Manager II的通用数字和模拟I/O，器件还提供一个I2C数字接口，用独立的监控处理器可以进行控制和监测。在cPCI板上实施高级监测和诊断功能时，这个功能是很有用的。