計算機外設(shè)的電源管理 - 全文

　　標準化的要求

　　通過附加外設(shè)來擴展計算機的功能時，需要使用標準接口才能實現(xiàn)不同廠商應(yīng)用的全部功能。使用無線通信增加臺式機的功能，或者通過使用更多的內(nèi)存條來增加筆記本電腦的內(nèi)存，這些方法使得低價的入門級計算機可以升級或根據(jù)個人需要進行添減。20 世紀 90 年代初，個人電腦附加卡標準的出現(xiàn)使得不同供應(yīng)商的內(nèi)存條都可以用到筆記本電腦上。

　　PCMCIA(個人計算機存儲卡國際協(xié)會)的成立規(guī)范了接口標準，允許使用閃存或硬盤驅(qū)動器等插入式附加卡來擴展筆記本電腦內(nèi)存。許多其他廠商自然很快就意識到，他們的專用功能也可以通過 PCMCIA 卡添加到這些設(shè)備上。

　　存儲、通信和游戲應(yīng)用等方面制造商加入了 PCMCIA，理解這個接口標準或?qū)@個標準施加影響，使筆記本電腦可以使用他們的器件。隨著主機系統(tǒng)和卡應(yīng)用的多樣化，設(shè)計師們很快就發(fā)現(xiàn)需要慎重考慮卡的工作和啟動電源要求，防止供電和系統(tǒng)故障。例如，許多應(yīng)用所需的磁盤驅(qū)動器馬達啟動或電源保持電容是一個潛在的問題。它們可能會導(dǎo)致很大的浪涌電流，使得主機電源過載，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或超過主機供電 MOSFET 電源開關(guān)的安全工作區(qū)(SOA)。PCMCIA 標準委員會需要解決的問題包括電壓、電流(包括浪涌電流)和定序。雖然 PCMCIA 早已解散，其標準化的電源供電規(guī)范現(xiàn)在仍在其他各種附加卡中使用，包括取代 PCMCIA 卡的 PC 卡。

　　系統(tǒng)設(shè)計方法

　　類似 PC 卡，PCI Express(PCIe)解決了 PC 中附加卡的電源要求。并且適用同樣的電源供電考慮，類似 PC 卡，PCIe 卡也可以生成次級電壓，根據(jù)不同的應(yīng)用，需要定序和監(jiān)測。此外，仍需使用外設(shè)來預(yù)防浪涌電流，而其輸入電容循環(huán)充放電，相當于添加和移

　　除外設(shè)。電源管理已經(jīng)從由分立邏輯電路和 ASIC 控制器實現(xiàn)的 MOSFET 開關(guān)，控制一個或兩個電壓，發(fā)展到 ASSP，如熱插拔/軟啟動控制器、電源定序器和跟蹤器、電壓監(jiān)控器、復(fù)位發(fā)生器和看門狗定時器。然而，隨著不同應(yīng)用需要不同的組合和不同版本的ASSP，全面的電源管理設(shè)計可能會昂貴而且復(fù)雜。由于有來自許多不同的廠商提供的數(shù)百種器件，選擇正確組合的器件可能是十分艱巨的任務(wù)。因而，設(shè)計師們常常會簡化他們的電源管理設(shè)計，無視某些可能出現(xiàn)的故障情況或者假設(shè)某種特定的序列會一直出現(xiàn)。舉一個例子，一個電源管理設(shè)計僅監(jiān)測輸入電源電壓，然后通過一個穩(wěn)壓器電壓正常來使能下一個穩(wěn)壓器，從而實現(xiàn)其他次級電壓的上電?？梢钥隙ǖ氖?，這種方法不需要獨立的定序器和多個高精度電壓監(jiān)測器來監(jiān)視每個電壓，從而降低了成本和復(fù)雜性。但是，盡管這種順序上電的方法降低了成本和復(fù)雜性，電源故障的響應(yīng)時間可能顯著延遲，這將導(dǎo)致嚴重的數(shù)據(jù)損壞，產(chǎn)生不完整的數(shù)據(jù)包并且破壞已經(jīng)存儲的數(shù)據(jù)。

　　PCIe 為各種插槽定義了電壓、電流和卡輸入電容。圖 1 顯示了 PCIe 規(guī)范，定義了+12 V和 3.3 V 電源和容限、容性負載和最大電流，包括不同的卡的浪涌電流。PCIe 還支持熱插拔卡，需要仔細考慮限制熱插拔卡的啟動電壓擺率。應(yīng)使用電壓監(jiān)控器監(jiān)測輸入電源，以確定電壓擺率的限制。雖然 PCIe 不指定電源上電時序，一個使用次級電源的獨立應(yīng)用可能需要復(fù)雜的時序。

　　圖 2 顯示了一個 PCIe 卡的啟動時序。箭頭所示的一個關(guān)鍵參數(shù)是在卡插入后的 100ms周期內(nèi)，12V 和 3V 電源穩(wěn)定。100ms 后，該卡通過 PCIe 總線主機發(fā)出 PERST#高電平信號使能。通常 100ms 時間太短，不足以完成卡上次級電源上電和大型 FPGA、ASIC 和其他配置器件的初始化。通常需要脈沖展寬或 PERST#信號延遲來滿足每塊板的需求。

　　圖 3 顯示了一個 PCIe 卡的斷電時序。PERST#初始化關(guān)斷，使器件能夠以可控的方式在供電電源衰減之前斷電。如果卡在插槽通電時突然拔出，器件將突然斷電，這可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。因而，應(yīng)當小心設(shè)計電路板，使它們能夠處理突然的拔出并以可控的方式使電路板斷電。

　　設(shè)計 PCIe 電源管理時需要應(yīng)對大量挑戰(zhàn)。例如：

　　· 浪涌電流隨每個電電而電化，但是不能有任何瞬電超電 PCIe 最大的電源電流電范。浪涌電流的幅度和持電電電取決于電路板的電入電容和其他各種因素，如 FPGA 或 ASIC 的啟電電流。

　　· 電電每個電用，卡可能需要不同的電插拔控制器電路。

　　· 定時可能會延電到超電 100ms PERST#信號，延電復(fù)位電序、電電電源上電、FPGA 配置電電和 CPU 復(fù)位。

　　· 設(shè)電必電足電快，以至于在電拔出電能電瞬電響電并使電路板斷電，從而不破壞系電。

　　· 所有電源都電電電欠電和電電條件，從而保電工作數(shù)據(jù)的完整性。

　　· 電源電序電電是靈活的，因電它電于每個電用而言是唯一的，需要根據(jù)電電更改的需要而改電。

　　· 包含 CPU 等復(fù)電芯片的電路板通常在 I/O 電電初始化前需要一個電定的內(nèi)核電電。

　　分立設(shè)計的限制

　　這些挑戰(zhàn)如何解決?傳統(tǒng)的設(shè)計 PCIe 卡電源管理的方法是使用一個分立的解決方案。圖4 說明了這樣一個方法，熱插拔控制器、定序器、監(jiān)控器、復(fù)位發(fā)生器和看門狗定時器都單獨實現(xiàn)。然而，這種方法有嚴重的缺點。分立的實現(xiàn)方案需要研究數(shù)據(jù)手冊，以便從廣泛的器件中進行選擇。分立的設(shè)計不靈活，因為任何設(shè)計上的變化或者一個不同的應(yīng)用，都將需要不同的分立器件組合。依靠 R/C 網(wǎng)絡(luò)建立的時序和控制電路，它們的時序?qū)S著元器件、使用時間和電源電壓的變化而改變。最后，由于來自多個廠商的器件之間的互操作性問題，導(dǎo)致分立設(shè)計對諸如意外拔出等故障情況的響應(yīng)速度慢。

　　集成的解決方案

　　電源管理集成到一個系統(tǒng)能顯著降低成本，不僅可以提供所有電源管理功能，而且避免了相同功能的重復(fù)實現(xiàn)。共享資源的功能可以合并。例如，多個電壓監(jiān)控器、定序器、熱插拔控制器、復(fù)位發(fā)生器集成電路和微調(diào)和裕度的功能，可以使用一塊集成電路實現(xiàn)。一個非常精確的帶隙基準可以由多種功能共享，進一步降低成本而不犧牲準確性和可靠性。更重要的是，集成將消除分立解決方案中的通信時間延遲。可以在幾十微秒內(nèi)實現(xiàn)故障響應(yīng)，而不是使用微處理器監(jiān)控的系統(tǒng)通常所需的幾百毫秒。微調(diào)、裕度和電壓測量可以通過添加一個 ADC 和一個 DAC 輕松實現(xiàn)。

　　ASIC 可以結(jié)合一些電源管理所需的分立器件。但是，它們通常需要一些額外的集成電路，包括一個微處理器來實現(xiàn)解決方案，并且還包括一些不屬于該應(yīng)用所需的功能。此外，基于 ASIC 的解決方案很難仿真，而且作為一種“固定”的方法，它要求任何更改都在電路板外實現(xiàn)。

　　另一種更有效的方法是使用一個單一的集成電源管理 IC。通過集成所有的電源管理功能，解決了分立解決方案的幾個關(guān)鍵問題。來自不同供應(yīng)商的獨立器件所引起的內(nèi)部通信以及對系統(tǒng)錯誤情況響應(yīng)慢的問題得到緩解：可以在短短幾微秒內(nèi)進行處理。整體成本也降低了，因為關(guān)鍵的功能由幾個通道共享。

　　例如，萊迪思 POWR1014A 集成了 10 個可編程電壓監(jiān)控器，使用一個帶隙基準，實現(xiàn)了所有通道 0.3%的電壓監(jiān)測精度。

　　
圖5 POWR10414A 結(jié)構(gòu)

　　內(nèi)部時鐘和內(nèi)置數(shù)字定時器解決了使用外部 R/ C 網(wǎng)絡(luò)的器件所引起的不精確的問題。數(shù)字 I/O、可編程定時器和 CPLD 內(nèi)核監(jiān)測 PERST#和 PRSNT#，并且產(chǎn)生特定卡的時序以確保正確的時序和配置。根據(jù)輸入可以產(chǎn)生額外的信號，通知系統(tǒng)復(fù)位或欠壓情況。POWR1014A 包含兩個充電泵，用于控制 N 溝道的 MOSFET。通過改變柵極電壓和充電率，同時監(jiān)控系統(tǒng)的電流和電壓以保證滿足 PCIe 的限制，可以很容易地為每個應(yīng)用定制熱插拔功能。CPLD 內(nèi)核可以輕松地為各種應(yīng)用、電路板和供應(yīng)商更改而修改設(shè)計。使用萊迪思的 PAC- Designer 設(shè)計軟件，可以很容易地配置輸入和輸出，對 CPLD 內(nèi)核進行編程。

　　總結(jié)

　　PCI Express 已經(jīng)標準化了個人電腦和附加卡之間的接口和時序。各種應(yīng)用需要為每一個獨特的電流、時序、電壓和定序功能定制設(shè)計。分立的解決方案昂貴且缺乏精確的時序、精度低，還有由于較多元器件材料所引起的可靠性問題和一旦設(shè)計需要更改時的靈活性問題。萊迪思的 POWR1014A 將 PCIe 電源管理集成到了一個精確、靈活、可編程和低成本解決方案中。