可靠、灵活的针对复杂电路板的电源管理解决方案

 　　电路板上电源的数量取决于VLSI所使用的多个电源的数量，它们与其它器件之间的通信速度需要电路板上有一套独特的电源，如使用的存储器类型。这是因为每个VLSI(ASIC/ SoC)器件需要多个电源才能正常工作(如核电压、I / O电压、PLL电压、SERDES通道电压，以及存储器接口电压)。结果，电路板上有15至25个电压的情况并不少见。多个电源的电路板通常需要实现电源管理功能，包括电源定序、电源故障监测、微调和裕度调整。有些电路板可能需要增强的电源管理功能，如电压升降调整，电源故障的非易失性记录和后台时序更新。

电路板电源管理的要求

在图1所示的线卡中，有四个主要的集成电路和一些粘合逻辑。每个集成电路都需要多个电源，并有定序的要求。这块电路板有14个电源电压，需要进行监测、定序、微调和裕度调整。此外，电路板的设计还需要将任何意想不到的电源故障记录在非易失性存储器中。

最初设计电路板的电源管理算法时，设计人员通常只考虑器件相关的时序。这是因为电路板设计人员不知道不同电压的电源定序的相互依存关系。在一般情况下，在调试过程中要确定电源定序，可编程定序解决方案应该能够适应原来的定序算法的以下变化：

- 开启每个电压或一组电压之间的时间延迟

- 重新定序- 例如如果原来设计的序列为1，2，4，5，3，那么新的顺序应该能够定序为2，3，5，1，4

- 关闭电源的定序-以相反的顺序关闭电源(这是必要的，以尽量减少损坏集成电路)

- 最大限度地减少集成电路(需要多个电压)部分被供电的情况，这取决于给定器件的电源故障。例如，如果电源3有故障，那么要立即关闭电源4，然后关闭电源1和2。如果电源1有故障，那么按顺序关闭电源2，3，4。

- 生成电源良好的指示，使各种器件开始工作。例如，CPU需要电源良好的信号，不仅内核电压是好的，而且DDR存储器电压，PLL和IO电压都是好的。

- 能够监测数字信号来完成定序。例如，在给DDR电源上电之前，等待数据包处理ASIC的PLL锁定。

- 通过数字控制信号(或逻辑组合)根据需要启动电源关闭，例如，前面板关机信号。

图1 - 通信线路卡的主要集成电路和电源的要求

所有的电源都打开之后，电路板开始正常工作，电源管理部分应开始监测电源的故障。当任何一个电源出现故障，然后根据发生故障的电源，CPU应该中断或复位以防止闪存损坏。电源管理算法的监测部分应该具有以下特点：

- 以1%或更好的精度确定任何按装在电路板上的电源的故障，以尽量减少虚假的故障指示，最大限度地减少由于监控器的精度限制而错过了电源故障。此故障指示可用于产生中断复位到CPU。

- 由于电源管理电路和装在电路板上的电源之间存在地电压差，使用差分信号检测较低的电源电压(1.5V或以下)，以尽量减少错误。

- 在100毫秒内报告故障，最大限度地减少由于故障电源引起的数据和/或指令的持续时间。

- 将故障与监控信号相联系。例如，如果电源1，2，3或4有故障，就激活复位信号。但是，如果电源12有故障，只中断CPU，以防止传输错误的数据。

故障记录功能应该记录整个电路板断电的主要原因。通常在一块电路板上的初始故障会引发连锁反应。例如，如果电源1有故障，电路板关机功能开始根据编程的电源关闭顺序关闭其余的电源。如果故障记录电路对电源故障的反应速度足够快，捕获的情况将显示电源1有故障，以及其余的电源工作正常。但如果故障记录电路的响应时间缓慢，它会记录电源2，3和4都有故障。这样的故障情况是没用的。故障记录电路应具有以下特点：

- 准确找到任何电源故障(<1%的误差)，以增加捕获的故障情况的可靠性

- 在100微秒内启动故障记录过程，尽量减少原始故障对捕获情况的后续影响。

电源管理实现示例

一个实现复杂的电源管理的常用方法(图2)是使用DC-DC转换器的电源良好信号，以监测这个电源，并使用CPLD来实现定序算法(控制DC-DC转换器的使能信号)。CPLD也产生监测信号，如电源就绪/故障电压中断和复位信号。

图2：使用电源良好信号对比电源管理监测实际电源电压

优点：

- 满足所有的定序要求

- 电源的数量可扩展

- 电源上电或电源关闭的定序算法的大小/复杂性没有限制

- 定序算法可以与电源定序之间的监控信号(电源良好/故障电压指示)交错

- 由任意数量的数字输入控制定序和监测算法

- 在现场系统可以更新定序算法而不中断电路板的工作

缺点：

- 有效的“电源良好”信号并不意味着电源工作在集成电路正常工作的范围内。大多数DC-DC转换器的电源良好信号有8%至20%的监测误差。但是大多数集成电路的电源容差