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优化PCB设计的可编程电源管理方案

发布时间:2020-06-30 21:48:23 阅读: 来源:高速卷帘门厂家

PCB电源管理一般来说是关于给PCB供电所涉及到的方方面面的。一些通常涉及的问题有:

本文引用地址: 选择各种DC-DC 转换器为PCB供电;

2. 电源启闭排序/跟踪;

3. 电压监测;

4. 上述全部。

在本文中,电源管理被简单定义为:对PCB上的全部电源实施管理(包括:DC-DC转换器、LDO等)。电源管理包括如下功能:管理PCB上DC-DC控制器。例如,热插拔、软启动、排序、追踪、容限和规整;生成全部相关的电源状态和控制逻辑信号。例如,复位信号生成、电源故障指示(监控)和电压管理。图1演示了一个采用CPU或微处理器的PCB上的典型电源管理功能;热插拔/软启动控制功能用于限制浪涌电流以减小电源的启动负载。对插入有源(live)基板的PCB来说,这是个重要功能;电源排序和跟踪功能用于在满足PCB上的全部器件对上电顺序要求的前提下,控制如何开/关多个电源。对所有电压进行故障(过/欠压)监测以向处理器就即将发生的电源故障进行预警。该功能也被称为“监管功能”。

图1:PCB上的典型电源管理功能。

在处理器上电时,复位生成功能为处理器提供可靠的启动条件。有些处理器要求在处理器全部工作电源都稳定后,复位信号仍保留一段时间。这也被称为复位脉冲展延。复位发生器的功能是当电源发生故障时,使处理器保持在复位模式以防止板上闪存发生不希望的错误。

传统电源管理方案的局限性

传统上,PCB上的每一电源管理功能是分别由单独的功能IC实现的。对不同的电压组合,这些IC有不同型号。这样,就有来自不同厂家的数百个单一功能IC型号以满足不同的电源管理需要。例如,为选择一款复位发生器IC型号,必须提供以下信息:

1. 该复位发生器IC需监测的电压路数;

2. 电压的组合(3.3、2.5、1.2或 3.3、2.5、1.8等);

3. 故障检测电压的%(3.3V-5%、3.3V-10%等);

4. 精度(3%、2%、1.5%等);

5. 借助外接电容控制的复位脉冲展延功能;

6. 手动复位输入。

为处理这些参数所有可能的变化,单就一个复位发生器IC来说,仅一家厂商就可有几百个型号。另外,若在设计过程中,工程师需监测另一个电压(很可能),则必须选另一个不同型号的产品。类似,许多单一功能IC即使仅就同一个功能、根据不同参数也会有许多型号,如热插拔控制器、电源排序器和电压监测/检测器等功能IC。一个由多块PCB构成的系统的每块PCB都需要不同组的这些单功能IC,从而也增加的材料成本。

PCB设计的复杂性不断增加

若单功能电源管理IC的使用曾经还可管理的话,那也都是往事旧话了。许多PCB现一般使用若干多电压器件,每个器件有不同的上电顺序。工艺节点越精微的器件需要的电压越低,但电流加大。设计师常常需要利用每个多电压电源IC的一个负载点。这样,PCB上使用的电源数将增加。随着电源电压回路的增加以及需多个排序管理,电源管理变得更复杂。

随着PCB设计变得日益复杂,传统的电源管理方案变得更难以招架。目前,利用传统单功能IC实现电源管理的设计师或不得不放弃监测某些电压或针对每一电源管理功能选用多个单功能器件。以下两种方法都不可取。

1.加大了PCB面积降低了可靠性

单功能IC数的增加以及随之而来的其间的互连不仅增加了PCB面积,从统计学的角度看,还降低了PCB的可靠性。例如,有可能增加组装出错概率,从而导致不可预见(肯定是不好)的结果。

2.第二供货渠道以及设计妥协

若单功能器件是从不同供应商处选购的,则增加了因哪怕只有其中一个器件不能按时到位而导致的生产延误风险。这又反过来导致对第二供货渠道的需求。但,第二渠道会降低设计工程师的器件可用性,从而因这些拿不到手的器件迫使设计师不得已牺牲PCB的故障监控覆盖范围。

组装和测试费用与系统中所用的器件数成正比。而器件单位成本与购买批量成反比。因在一个给定系统中需要许多器件,而构造系统所需的每种器件都变少,所以增加了总体系统成本。例如,假设一个系统有10块PCB,每年将制造1,000个这样的系统。若每块PCB采用单功能IC实现电源管理,则为了完成设计大概需要10种不同的单功能IC。则这些单功能IC每年的需求量是1,000块。批量1,000时的单价当然高于批量10,000时的单价,所以,与全部PCB都采用同一种单功能电源管理IC的方案比,前一种电源管理方案的成本肯定高。

采用多个单功能IC器件实现的传统电源管理方案已成1980年代的陈年旧事,那时,数字设计师利用TTL门来实现逻辑功能。随着PCB复杂性的增加,设计师不得不在是选用固定功能的ASIC还是增加所用的TTL门的数量这两个方案间选择。不奇怪,系统设计所用的TTL器件数在急剧增加。

可编程逻辑器件(PLD)的出现使设计师可在给定的PCB单位面积内实现更多功能且还缩短了产品上市时间。因降低了系统所用的器件数,所以还降低了总体系统成本。因可在多个设计中使用同一个PLD,所以减少了系统所用器件数。公司能在不牺牲每块PCB所需功能的前提下,对少量PLD器件进行标准化处理。

管理少量的PLD比管理很多TTL门要容易地多。相同的PLD可被用于多个PCB设计,从而减少甚至不再需要第二家供货渠道。设计师可在设计投板前,用软件仿真设计,从而增加了一次成功的机会。目前,利用单功能电源管理IC就像过去采用TTL门一样老套。设计当今复杂的PCB需要“电源管理PLD”。的确,采用这种器件现应是PCB设计的一种要约。

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