PSoC3在电源管理和温度控制中的应用

1，概述

在复杂的硬件系统如通信机架/机箱系统中，需要多种高性能IC芯片来完成各种各样的功能电路， 如ASIC芯片，CPU芯片，FPFA等等。这些芯片各自需要一路或者多路的电源轨来供电，这若干电压轨都来自于主板的电源分配器。 本文的电源管理是指对这些电源轨(包括输入侧和输出侧)进行管理，包括上电时序管理，断电时序管理，过电压欠电压监控，电压调节，功耗计算等。

复杂硬件系统对于机架/机箱内的温度要求也比较苛刻。因为硬件在高速运行时会发热，不对温度进行控制，昂贵的芯片在高温下会运行失常，甚至会烧掉。所以需要对芯片周边的温度进行采样，并利用风扇组进行通风散热。风扇内部由集成的驱动电路来驱动单相或者三相无刷电机。一般地，此类风扇是具有3线或者4现接口，温度控制芯片用PWM信号来发送速度指令给风扇驱动器，风扇也会有数字的转速反馈信号给出。

Cypress的PSoC3芯片是基于增强型8051核的可编程片上系统。芯片内部集成了强大的PLD数字逻辑已及精确模拟电路，而且其模拟和数字电路具有可编程的特性。上述特点使得PSoC3芯片非常适合于电源管理和温度控制的应用。

　　图1 PSoC3 芯片(CY8C3866AXI-040)的系统架构

2. PSoC3 电源管理结构框图

PSoC3芯片(CY8C34xx系列)具有丰富的片上资源，模拟资源包括片内2个Op-amp，2个DAC，4个Comparator，12bit 的ADC;数字资源包括24个UDB数字模块。这些为实现电源管理提供方便。 片内的电源管理结构框图如图2所示：

　　图2，PSoC3电源管理结构框图

从图2可以看出，PSoC3 电源管理系统实现的功能包括：

• 　　多达13路的模拟输入信号检测，可以实现电压监控和电流检控
• 　　多达12路电源轨的可编程上电时序控制
• 　　基于窗口比较器的快速过电压/欠电压监控
• 　　可以对12路电源输出轨进行高精度闭环的电压微调
• 　　2Kbyte的E2PROM 可以储存运行日志，方便进行故障检测
• 　　模拟和数字的管脚可以动态分配，且管脚电压支持1.8V-5.5V宽电压范围
• 　　支持I2C，SMBus，PMBus等通讯接口
• 　　支持通过I2C接口进行在线升级软件

3.电源管理各功能模块实现方法

Ø 上电时序控制

系统上电时，板上多个电源轨的上电时序存在依赖关系，PSoC3在提供电源轨的使能信号同时，还需满足各使能信号间的时序关系，即上电时序控制。PSoC3提供一个功能模块实现上述功能，如图3所示，该模块输出使能信号到GPIO控制电源轨，模块输入为数字信号，每一路输入与同数字标号的输出相对应。若输入信号为高电平，表示该路电源轨的输出电压已是稳定状态，电源良好(Power Good)，反义，低电平表示电源轨输出电压异常，未能正常工作。该模块默认使用内部1K的时钟控制上电时序，此时控制精度为1毫秒(ms)，也可通过输入外部时钟获得更高的控制精度，如10K时钟获得0.1毫秒控制精度。

　　图3，PSoC3电源管理实现框图

Ø 快速过压/欠压监控

图4是快速过压/欠压监控实现框图，初看之下其结构有些复杂，但实际上，用户除了调用PSoC3提供的初始化函数之外，无需编写任何额外代码即可实现微秒级(us)过压/欠压检测。该功能充分利用PSoC3内丰富的硬件资源，使用通用数字模块(UDB)自定义多路控制器，控制硬件模拟开关(Analog Switch)实现多达16个输入通道的快速切换，切换时间约为2微秒每通道;使用2个比较器和2个VDAC实现窗口比较器，检测过压与欠压;使用UDB实现硬件去抖滤波器，消除窗口比较器输出上的毛刺和抖动。该功能模块可以令系统对电源轨上的电压波动快速响应，避免稳压芯片损坏。

　　图4，PSoC3快速过压欠压监控实现框图

Ø 电压/电流监控

PSoC3内部的12-bit ADC可以采样多路模拟信号，在电源管理应用中，板上电源轨的电压和电流可以由该ADC采样，采样结果可以用于系统闭环控制或是上报给主机显示。图5中，10个电源轨的输出电压采样和1个经过分压的12V供电采样连接在PSoC3内的多路器上，12-bit ADC选择差分输入，正端接多路器输出，负端接PSoC3内部产生的2.048V参考电压。ADC测量范围为0~4.096V，通过周期性的软件校准，可以达到0.5%到1%的采样误差。

　　图5， 电压/电流监控实现框图

4. PSoC3 温度控制结构框图

基于PSoC3芯片的温度控制框图如图3所示。

　　图6，PSoC3温度控制结构框图

PSoC3 在温度控制中实现的功能包括：

• 　　多种类型的温度传感器接口。支持的温度传感器包括I2C， 单线温度传感器，TMP05/06温度传感器，PECI协议温度传感器
• 　　利用芯片内部的PGA，ADC等资源可以实现基于模拟信号输出的温度传感器
• 支持最多16个通