高可靠性的可編程電源管理解決方案
系統(tǒng)工程師正受到降低成本和提高電路板可靠性的壓力。一個經(jīng)常被忽視的應對措施是減少為FPGA、 微處理器和數(shù)字信號處理器進行電源監(jiān)控而使用的元件數(shù)量。新穎的高集成度可編程電源電路將復位生成電路、看門狗定時器(WDT)和電壓監(jiān)控器集成電路集成在單個器件之中。這種一體化方案有助于降低系統(tǒng)成本，解決設(shè)計人員所關(guān)心的可靠性問題。本文討論將可編程邏輯、ADC和DAC集成在一起的創(chuàng)新解決方案，該方案使電源管理功能具有更高的精確性，同時還可降低成本。
電源管理的挑戰(zhàn)
一個典型的CPU電源電路如圖1所示。對于典型的DSP、 FPGA或微處理器，各種電源電壓要求為：器件的核心電壓為1.2V、輔助電壓和PLL電壓為3.3V、 I/O驅(qū)動電壓為1.5V和1.8V。常見的電源設(shè)計的電壓是源于單一的5V輸入電源，通過一系列DC/DC轉(zhuǎn)換器后產(chǎn)生各種電源電壓。為提供如同單電源印刷電路板一樣的可靠性，必須對電路板上的所有電源進行監(jiān)測，并能產(chǎn)生正確的CPU復位信號或電源故障中斷信號。
圖1的電壓監(jiān)控塊是一個集成電路，當電源發(fā)生故障或手動切斷電路板的電源時，它會發(fā)送信號給CPU。如果任何一個DC/DC轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障，電壓將升高或降低，超出正常工作電壓的范圍，從而導致CPU不能正常執(zhí)行程序。對CPU而言，一個潛在的最糟糕情況是非易失性內(nèi)存被改寫，使系統(tǒng)無法啟動。如果電源發(fā)生故障時能夠中斷CPU，就能安全地中止當前任務，為可靠重新啟動保存重要信息。
許多廉價的電壓監(jiān)控器集成電路通常有一個被忽視的負作用，對于電壓變化，監(jiān)控器的閾值將影響整個系統(tǒng)的容差。圖2說明了這種情況。核心電壓的規(guī)格為1V+/-5％，如果CPU核心電壓低于0.95V，就要求監(jiān)控器必須發(fā)出一個中斷信號。然而，考慮到監(jiān)控器的閾值精度，電壓變化的整個容差降低了。在這個例子中，該監(jiān)控器的閾值為0.95V＋2％/-3％(0.97V至0.93V)。采用這種監(jiān)控集成電路時，該閾值應設(shè)置成0.97V ，這就限制了DC/DC轉(zhuǎn)換器的容差。
圖1中的復位發(fā)生器塊是另一種較常見的分立集成電路，當所有電壓穩(wěn)定后，它向CPU發(fā)出釋放復位輸入信號。在所有電源穩(wěn)定之后，CPU繼續(xù)保持復位模式一段時間是常見的情況。例如，Power Good信號有效后，移動式英特爾Atom處理器期待“脈沖延伸”兩個毫秒的復位脈沖。只有到那個時刻，CPU才開始執(zhí)行程序。
圖1中的最后一個分立集成電路塊是看門狗定時器。如果主程序沒有對監(jiān)視器進行定期服務，這個定時器件觸發(fā)系統(tǒng)復位。其目的是將系統(tǒng)從暫停狀態(tài)恢復為正常運行。
提升電源管理的靈活性并降低成本
電源，復位和看門狗定時器應用需求是多種各樣的，這導致元件供應商提供大量的分立數(shù)字和混合信號元件，以幫助設(shè)計人員應對電源管理的挑戰(zhàn)。但是，如果采用分立電壓監(jiān)控器，復位和定時器電路會增加印刷電路板布局的復雜性，并提高成本。
由于板級寄生作用和電源的開關(guān)，電壓波動是正常的電源特性，削減成本的措施之一是使用不太精確、成本更低的電壓監(jiān)控器件。然而，變化超過1％的廉價監(jiān)控器閾值會降低系統(tǒng)的電源紋波容差，并導致復位條件比實際需要的多。在一些設(shè)計中，另一個降低成本的措施是不監(jiān)測所有的電壓幅度，期望在正常工作期間，DC/DC轉(zhuǎn)換器沒有故障。這雖然降低了成本，可靠性卻沒有保障。
電路板的變化迫使設(shè)計人員重新設(shè)計電源管理電路，每次設(shè)計都要使用各種元器件。使用功能固定的分立集成電路的重新設(shè)計常常意味著要備有更多合格的元件，這將帶來很大的庫存量。
許多電源管理電路設(shè)計存在著固有的缺點，因而設(shè)計者萌生了將復雜可編程器件與高精度模擬電路集成在同一器件上的想法。可編程器件為狀態(tài)機或布爾邏輯描述的各種邏輯時序提供了靈活性。精確可編程斷點的改進型閾值監(jiān)控器使同一芯片可用于更廣泛的電源監(jiān)控應用。總之，可編程的電源管理集成電路使具有普遍性的電源管理解決方案實現(xiàn)標準化。
可編程電源管理集成電路實例
萊迪思半導體的Power Manager II是高集成度的產(chǎn)品，提升了許多板級監(jiān)控集成電路的精確性。這些電源管理器件將精密故障監(jiān)測電路、 CPLD和ADC/DAC電路集成在同一器件中。例如， Power Manager II中的一個產(chǎn)品可監(jiān)控多達六個電源，并提供七個數(shù)字輸出，其中兩個輸出可配置成高電壓MOSFET驅(qū)動器，另外五個輸出可配置成輸入。它還有兩個通用數(shù)字輸入端，可用于其他控制功能(圖3)。通過使用具有四個可編程定時器的可編程邏輯器件塊，該器件可以產(chǎn)生CPU復位信號，包括脈沖延伸和電源故障中斷信號。
這種電源管理集成電路取代了如前所述的三個電壓監(jiān)控器、復位發(fā)生器和看門狗定時器電源管理集成電路，且成本較低。在某些情況下，甚至取代兩個分立集成電路就可能會得到一個更經(jīng)濟的設(shè)計。電源管理集成電路的高集成度特性不但有助于節(jié)省時間和經(jīng)費，還可用于多種設(shè)計。
Power Manager II POWR607器件的6個電壓監(jiān)控器(VMON)都是獨立可編程的。斷點比較器提供192可編程點，整個范圍為0.667V到5.811V。當電源關(guān)閉之后，每個都提供一個75mV零檢測選擇，以確定電源輸出是否已經(jīng)衰退到無效的情況。如果被監(jiān)測的電壓大于斷點設(shè)置，每個比較器輸出一個邏輯高電平至可編程器件塊。比較器提供設(shè)定點的滯回約1％，以減少由電路板引入的輸入噪聲造成的誤觸發(fā)，以及由于開關(guān)電源而引起的正常電源紋波。過電壓和欠電壓電壓斷路點是可編程的，反映了被管理的DSP/FPGA/微機的容差。每一個電壓監(jiān)控器提供一個數(shù)字濾波器，可以延時比較器的輸出，以避免假的觸發(fā)條件。針對CPU的看門狗定時器功能，該器件提供一個內(nèi)置的振蕩器和可編程定時器電路，設(shè)定時序間隔范圍為32微秒到2秒。
實際應用證實了Power Manager II器件對從事數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計工程師和模擬電源設(shè)計者都頗具吸引力。該器件提供一個簡單的軟件可編程接口，通過一個示意框圖允許設(shè)計者用對話框配置模擬塊，通過一個方程構(gòu)造器就能夠容易地構(gòu)建復位時序。該器件提供了在系統(tǒng)可編程(ISP)的JTAG接口，并可訪問標準的JEDEC的文件格式。當器件已安裝在電路板上時，可通過ISP接口對電路的功能進行修改或升級。通過JTAG鏈，它比傳統(tǒng)的分立集成電路有更好的可見度。
可重復編程電源管理器的概念有助于加速修改已有的電路板，減輕修改設(shè)計的負擔。通過集成大多數(shù)電源管理應用中采用的分立集成電路，可編程電源管理芯片不但提供更好的靈活性，還降低了元器件材料成本。
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