由于當(dāng)前復(fù)雜邏輯器件的多元化及不斷變化的電源要求，對于系統(tǒng)設(shè)計師來說，開發(fā)能夠滿足系統(tǒng)電源需求的電源系統(tǒng)也變得越發(fā)艱難。開發(fā)期間及開發(fā)之后，與電源電壓的調(diào)整需求相比，固定電壓電源系統(tǒng)的靈活性差，這會增大設(shè)計風(fēng)險，導(dǎo)致設(shè)計項目延遲甚至被取消。而可編程電源系統(tǒng)能夠滿足這種靈活性的需求，從而圓滿地解決這一問題。本文論述了可編程電源系統(tǒng)的優(yōu)勢和收益，并且討論了眾多降低系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)險的方法。

 

多年前，系統(tǒng)設(shè)計師在設(shè)計系統(tǒng)電源時相對容易一些。邏輯運行需要5V電源，硬盤和軟盤驅(qū)動器需要 12V電源；系統(tǒng)其他器件采用雙電源電壓來運行，或者可以添加一個負(fù)電壓電源。指定三種電源。易用性。

 

如今的復(fù)雜邏輯器件（FPGA、ASIC、SoC、ASSP等）有著更為復(fù)雜的電源要求。系統(tǒng)中一個芯片便有可能需要三種或四種電源電壓。更糟糕的是，多個電源電壓的啟動順序和定時對系統(tǒng)初始化起著至關(guān)重要的作用。斷電操作期間切斷電壓的順序?qū)π酒恼ＭC同樣重要，并且還能夠極為有效地防止電源對IC造成的損壞。復(fù)位線或者多個復(fù)位線與電源電壓之間的定時關(guān)系也同樣相當(dāng)重要。

 

此外，電源系統(tǒng)必須與當(dāng)前的許多復(fù)雜系統(tǒng)實時交互，并且必須能夠根據(jù)快速波動線和加載要求來實現(xiàn)實時重新配置。簡而言之，與從前相比，當(dāng)今復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的電源系統(tǒng)設(shè)計有著更為深遠(yuǎn)的考量，它促進了電源管理系統(tǒng)的發(fā)展，與圖1所示一樣，這是為了滿足當(dāng)今越來越復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計需求。然而，與以往相比，系統(tǒng)設(shè)計師卻較少考慮到這些問題，這是由于他們更加關(guān)注極復(fù)雜邏輯系統(tǒng)的工作性能，以及大量相關(guān)固件是否能夠與硬件設(shè)計充分集成。

圖1，合并有電源管理系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計簡化框圖。

 

 

系統(tǒng)設(shè)計師需要定制電源以便處理當(dāng)今 FPGA、介質(zhì)處理器、ASIC、SoC和 ASSP 的電源需求。在未來，這一趨勢必然仍將持續(xù)，但是有許多設(shè)計師缺乏設(shè)計高效率開關(guān)電源所需的技能，也沒有時間去學(xué)習(xí)如何使用多個必要的傳統(tǒng)電源管理控制芯片來創(chuàng)建多電壓電源； 同時還缺乏進行復(fù)雜計算的愿望，以及缺乏學(xué)習(xí)如何選擇不熟悉的電源元件如電源 FET和電源電感器的愿望。簡而言之，系統(tǒng)設(shè)計師在開發(fā)日益復(fù)雜的電源系統(tǒng)方面所花費的時間越來越少。正由于所花的時間不夠，大大提高了設(shè)計電源時的風(fēng)險，導(dǎo)致電源不滿足要求，需要返工，因而延誤了產(chǎn)品的推出。

 

此外，系統(tǒng)設(shè)計師需要降低由于元件置換導(dǎo)致的設(shè)計要求變更風(fēng)險、降低由芯片電源規(guī)范更改而產(chǎn)生的設(shè)計風(fēng)險，或者減少在整個電源電壓調(diào)整期間對芯片性能進行微調(diào)的需求，所有上述風(fēng)險系數(shù)都可通過利用可編程電源來緩和?？删幊屉娫纯梢愿鶕?jù)當(dāng)前系統(tǒng)元件不斷變化的要求，或者根據(jù)由于元件置換或系統(tǒng)擴充而產(chǎn)生的新要求來調(diào)整。有一種極為有效的方法可以處理生產(chǎn)，下線前及生產(chǎn)，下線后的元件變化。

 

因此，系統(tǒng)設(shè)計師需要找到能夠快便捷地開發(fā)靈活插件板電源系統(tǒng)的新方法，該電源系統(tǒng)需能夠?qū)崿F(xiàn)運行時的電源電壓重新編程，以處理未來在面對系統(tǒng)電源要求時的諸多未知難題。這種靈活且易于設(shè)計配置的電源系統(tǒng)可降低系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)險。同樣重要的是：這些可編程電源系統(tǒng)極大地增強了設(shè)計靈活性，從而降低了系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)險，卻不會提高電源成本。

 

隨著當(dāng)前系統(tǒng)復(fù)雜性越來越高，其對電源的要求也不斷增長，電源系統(tǒng)需要擁有比以往更高的能力應(yīng)對當(dāng)前的復(fù)雜系統(tǒng)。除了需要更多樣的電源電壓、電源、復(fù)位順序以及偏移不靈敏性之外，當(dāng)前的系統(tǒng)設(shè)計還需要對電源電壓進行更為精密的可編程控制，如 FPGA、介質(zhì)處理器、SoC和 ASSP等高級芯片足以充分證明此點，這些芯片是當(dāng)前系統(tǒng)的核心所在。例如，最高級的 FPGA 需要三種或四種電源電壓。

 

表1顯示了連續(xù)幾代 Xilinx Virtex和 Spartan FPGA所需的電源電壓。需注意的是，有些 FPGA需要兩種電源電壓，有些需要三種，全部三種電源電壓都可以假定每一代的電壓值均不相同，這取決于系統(tǒng)設(shè)計。

表1，Xilinx FPGA系列和各代產(chǎn)品的電源電壓。

 

其他 FPGA廠商（包括 Altera和 Lattice）對于電源的要求也呈現(xiàn)出相似性。表2顯示了 Altera的 FPGA產(chǎn)品系列擁有相似的電源電壓信息。

表2，Altera FPGA系列和各代產(chǎn)品的電源電壓。

 

表1和表2中所列的信息顯示了多種 FPGA電源電壓隨幾代元件的演變方式，因此與電源系統(tǒng)的討論息息相關(guān)。系統(tǒng)設(shè)計有可能需要適應(yīng)不同年代的FPGA或者采用不同核心電壓的不同產(chǎn)品系列的 FPGA。此外，這些相同的系統(tǒng)設(shè)計也有可能需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計中的其他芯片而滿足不同的 I/O電壓要求。

需注意的是，表1并未對 FPGA對電源系統(tǒng)所提出的要求做詳細(xì)說明。所有 FPGA廠商均規(guī)定了確保 FPGA正常運行所需的每一電源電壓的最小及最大必要勻變時間（單位：微秒至毫秒）。在創(chuàng)建電源系統(tǒng)時，這是系統(tǒng)設(shè)計師必須考慮的另一個因素。勻變時間不可過快或過慢。

 

對介質(zhì)處理器、SoC、ASSP和 ASIC的電源電壓有著類似的限制。由于對電源沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此 IC設(shè)計小組可自由選擇完成設(shè)計所需的任何電源啟動方案。滿足不斷變化的電源電壓要求是他人的問題，而不由 IC設(shè)計小組負(fù)責(zé)。其他人通常指系統(tǒng)設(shè)計師。系統(tǒng)設(shè)計師負(fù)責(zé)滿足芯片的一切電壓和排序要求。當(dāng)一個系統(tǒng)設(shè)計中有多個復(fù)雜芯片時，電源的復(fù)雜性便會翻倍。如需進一步提高復(fù)雜性，可以將一個芯片的排序要求修訂為下一個序列，這樣便會需要更為準(zhǔn)確的器件特性或者會導(dǎo)致設(shè)計變更。此時仍然由系統(tǒng)設(shè)計師負(fù)責(zé)滿足這些需求，無論這些需求是什么，也無論這些需求如何變化。

 

鑒于這些原因，從根本上逐步提高系統(tǒng)復(fù)雜性以及系統(tǒng)中所用芯片的復(fù)雜性時，需要將電源系統(tǒng)的能力改進數(shù)倍，這就要求電源提供勻變倍數(shù)，并且精確控制各種電源軌之間的定時關(guān)系。若欲實現(xiàn)電源系統(tǒng)的上述高級能力，通過采用早期電源管理設(shè)計方法成本巨大或者根本無法實現(xiàn)。

 

 

在查看創(chuàng)建可編程電源系統(tǒng)的潛在設(shè)計方法之前，我們來簡要回顧一下早期的方法，以便理解如今的系統(tǒng)設(shè)計為什么有著更多需求。插件板上或負(fù)載點（POL）電源系統(tǒng)基于現(xiàn)有的開關(guān)模式 PWM電源控制器和簡單電源管理芯片。早期的開關(guān)模式電源控制器采用易于理解的模擬 PID回路（比例，積分，微分回路）算法來調(diào)節(jié)電壓。這種設(shè)計表現(xiàn)良好但卻存在必須解決的設(shè)計問題。

 

首先，這種控制器對外部元件隨時間和溫度的偏移非常敏感。這種偏移不會影響調(diào)節(jié)精度，因此根本不會影響電源控制器的調(diào)節(jié)能力。所有調(diào)節(jié)能力的潛在損失只與回路穩(wěn)定性有關(guān)。如果精心設(shè)計的補償回路中的控制器元件與設(shè)計規(guī)范的偏移足夠大，則控制回路會變得不穩(wěn)定，并且控制器也根本不再進行調(diào)節(jié)。對這一問題的解決方案是購買對偏移敏感度較低的更昂貴外部元件，對于對成本較為敏感的設(shè)計來說，這一替代方式通常不建議采納。那么當(dāng)前，哪些設(shè)計對成本不敏感呢？

 

第二個問題是系統(tǒng)兼容性。如之前所討論的那樣，有幾個與系統(tǒng)有關(guān)的問題，包括電源排序、各種插件板上電源和復(fù)位信號或多個信號間的定時關(guān)系、對一個或多個插件板上電源進線微調(diào)以實現(xiàn)系統(tǒng)正常操作的可能性。所有這些問題都需要超越單一的 PWM控制器芯片能力。

 

因此，IC廠商創(chuàng)造了能夠充當(dāng)“數(shù)字包封”的電源管理芯片。這些芯片可控制多個模擬 PWM控制器的加電排序，可針對電源系統(tǒng)的設(shè)計來產(chǎn)生一個多芯片解決方案。盡管這一方法最初可以估算電源電壓排序和復(fù)位定時所需的靈活性類型，但由于電壓被與PWM控制器芯片有關(guān)的外部元件所固定，因此不能滿足用來調(diào)整系統(tǒng)電源電壓的各種生產(chǎn)前及生產(chǎn)后的需求。此外，向包含多個 PWM控制器芯片的設(shè)計中添加電源管理芯片還會增添另一個芯片，這會提升成本、增大設(shè)計復(fù)雜性并且耗費額外的面板空間。在看重設(shè)計空間尺寸的芯片中，這種電源系統(tǒng)設(shè)計解決方案會降低精密度。

 

 

我們現(xiàn)在需要的是一個可編程電源或者系統(tǒng)（PPS），它應(yīng)該能夠提供多種精細(xì)可編程電源電壓，并且在各個電源電壓之間提供可獨立調(diào)整的斜升和斜降時間以及可調(diào)的排序延時。這種電源系統(tǒng)設(shè)計為系統(tǒng)設(shè)計師提供了必要的設(shè)計靈活性。該系統(tǒng)如今未得到廣泛應(yīng)用的原因是其昂貴的價格。這種昂貴指的并不是基礎(chǔ)技術(shù)本身，而是由于電源 IC廠商以前未曾針對設(shè)計問題采用充分的硅集成等級。但是，這種狀況注定會發(fā)生變化，而且這種變化已見端倪。

 

正如 FPGA可以方便地針對新系統(tǒng)需求或者不斷變化的系統(tǒng)需求為系統(tǒng)設(shè)計師提供靈活的可編程序邏輯結(jié)構(gòu)一樣， PPS也能夠為系統(tǒng)設(shè)計提供一種可編程電源系統(tǒng)，以便匹配系統(tǒng)電源的所有變化或者新的要求?，F(xiàn)場可編程性為這兩種情況賦予了極大的靈活性。對于 PPS來說，由于需要將硅集成從原有的 PWM技術(shù)完全轉(zhuǎn)換為數(shù)字控制電源系統(tǒng)，因此靈活性的增強是免費的。因此，系統(tǒng)設(shè)計師能夠顯著增強電源系統(tǒng)的特征而不會增加成本。

 

與以前開發(fā)數(shù)個固定穩(wěn)壓器的方法相比，可編程電源系統(tǒng)能夠更加緊密地匹配當(dāng)前復(fù)雜系統(tǒng)的需求。與過去相比，由于復(fù)雜 IC的電源電壓達到了前所未有的穩(wěn)定性，因此如今的系統(tǒng)設(shè)計師對靈活性的要求更高。從前制作的 FPGA、微型控制器、SoC和 ASIC擁有穩(wěn)定的電源電壓規(guī)格，但是新零件，特別是仍處于α或β采樣階段的新零件，在下一次修訂時就有可能提出不同的要求。只有可編程電源系統(tǒng)能夠滿足這種情況下所需的靈活性。

 

此外，有可能需要由可編程電源系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)元件的工作電壓來調(diào)整各種系統(tǒng)元件的運行速度。當(dāng)工作電壓處于 1V時，對電源電壓進行“微調(diào)”會變得越來越普遍。

 

但即便在這種靈活性下，PPS的設(shè)計仍然比傳統(tǒng)開關(guān)電源的設(shè)計更加簡便。PPS器件采用基于軟件的設(shè)計工具來支持，這樣能夠更加簡便地確定所需的電源電壓并且從設(shè)計工具中獲取所需的材料表（BOM）。此外，由于電源系統(tǒng)可編程，因此可以在電壓范圍內(nèi)調(diào)整電源系統(tǒng)的輸出，只需改動 PPS控制器的編程即可。對于某些 PPS控制器芯片來說，在系統(tǒng)操作期間，串行端口能夠讓插件板上的微型控制器來調(diào)整電源電壓。

 

PPS控制器還能夠為系統(tǒng)設(shè)計師帶來另一個實質(zhì)性的設(shè)計優(yōu)勢：只需了解一個器件，便可掌握21世紀(jì)系統(tǒng)所需的所有電源電壓范圍。了解一個器件以及與該器件有關(guān)的一個軟件設(shè)計工具便能夠讓系統(tǒng)設(shè)計師掌握所有電源要求-初始要求、開發(fā)要求以及操作要求-這樣能夠簡化產(chǎn)品電源系統(tǒng)的設(shè)計。

 

 

當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計師在其設(shè)計中采用了各種不同的復(fù)雜邏輯器件時，PPS控制器 IC能夠讓他們以更為簡便的方式滿足電源需求。PPS控制器至少有 17種可以降低風(fēng)險的具體方式：

 

（1）一個 PPS控制器 IC可替換多個電源管理控制器，并且相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計有一個由集成電源系統(tǒng)管理器控制的可配置 PPS設(shè)計，這簡化了插件板上的電源管理以及負(fù)載點的電源電壓調(diào)節(jié)，同時提高了整個可編程性范圍內(nèi)的電源可控性，以相同或者更低的BOM成本實現(xiàn)了更高的能力和更大的靈活性。

 

（2）PPS控制器 IC能夠顯著降低系統(tǒng)電源的元件數(shù)量，同時極大地擴展可控性。與基于模擬 PWM控制器的電源管理芯片相比，它能夠?qū)⒃O(shè)計電源時的插件板上無源器件數(shù)量減少至少 50%，甚至達80%，同時無需獨立排序和電源管理IC。

 

（3）基于 PPS控制器 IC的設(shè)計可降低整個 FET驅(qū)動器和系統(tǒng)管理集成的板面空間，并減少無源元件的數(shù)量。

 

（4）PPS控制器 IC的電源設(shè)計自適應(yīng)方式使得可編程電源基本上不受無源元件隨時間和溫度偏移的干擾，這樣就降低了電源設(shè)計對無源元件容差的敏感性，降低或者消除了組合面板的拷機需求。

 

（5）PPS 控制器 IC的自動設(shè)計軟件能夠讓系統(tǒng)設(shè)計師利用簡單而熟悉的基于 GUI的設(shè)計工具來快速設(shè)計完整功能的電源，而無需花費時間去學(xué)習(xí)錯綜復(fù)雜的數(shù)字PWM控制或電源管理，也無需進行復(fù)雜卻易于出錯的元件值計算（盡管工具能夠讓設(shè)計師隨心所欲地進行眾多的詳細(xì)設(shè)計）。自動工具會即時創(chuàng)建 BOM。

 

（6）PPS控制器 IC的高集成度能夠讓設(shè)計師采用與FPGA相似的方式增添簡單參數(shù)編程并重新配置所需的更為復(fù)雜的電源性能（電源排序、延時、勻變、電流限制以及電源電壓調(diào)整），而無需更改電源的硬件設(shè)計。

 

(7)PPS控制器 IC中的獨立可編程軟啟動和軟停機電源參數(shù)降低了關(guān)鍵系統(tǒng)元件的開通/關(guān)斷應(yīng)力。例如，當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)由低等效串聯(lián)電阻（ESR）啟動時，不帶電的電源濾波器電容器會消耗數(shù)百安培的電流。軟啟動電源會限制這些電流浪涌并且降低電纜、連接器和電容器本身承受的高電流應(yīng)力。軟關(guān)機能力可確保系統(tǒng)斷路時，這些電容器充分放電。

 

(8)在整個編程過程中，PPS控制器 IC的可編程再配置性能夠?qū)⒆罱K的規(guī)范轉(zhuǎn)換為新型的復(fù)雜系統(tǒng)元件（FPGA、微型控制器、針對應(yīng)用程序的處理器）的電源要求，而無需對最終的面板等級、硬件設(shè)計進行改動。

 

(9)在整個器件的重新編程過程中，PPS控制器 IC的可編程再配置性能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)元件（FPGA、微型控制器、針對應(yīng)用裝置改編程序的處理器）的獨特而復(fù)雜的加電和斷電排序要求，而無需重新設(shè)計復(fù)雜的面板等級。

 

(10)PPS控制器 IC的可編程再配置性可以方便地滿足不斷變化的核心電源要求-例如有可能需要將FPGA更改為下一代 -只需進行簡單的配置編程變更，而無需進行面板級設(shè)計更改或元件級BOM修正。

 

（11）PPS控制器 IC的可編程再配置性只需進行簡單的編程更改，便可方便地更改 I/O電源要求（例如有可能需要從 DDR更改為DDR2、低電源/低電壓DDR2或DDR3 SDRAM）。

 

（12）PPS控制器 IC配置參數(shù)的直接數(shù)字控制能夠讓系統(tǒng)主機、主電源或者輔助處理器來優(yōu)化主系統(tǒng)元件的運行速度，只需稍稍改變系統(tǒng)中多個復(fù)雜邏輯器件的核心電源電壓即可。

（13）PPS控制器 IC的直接數(shù)字控制能夠讓系統(tǒng)主機、主電源或者輔助處理器管理工作電源級別以及由可編程斷電空轉(zhuǎn)系統(tǒng)元件或者系統(tǒng)的整個扇區(qū)所產(chǎn)生的熱量。

 

（14）PPS控制器 IC的直接數(shù)字控制通過對受影響的系統(tǒng)電源進行排序，或者切斷失效且不重要的系統(tǒng)，從而讓系統(tǒng)主機、主電源或者輔助處理器自動管理插件板上與電源有關(guān)的假信號或者故障。

 

（15）PPS控制器 IC的直接數(shù)字控制提供了一條通信路徑，能夠遠(yuǎn)程修正或者更新所有電源電壓和加電/斷電順序，在系統(tǒng)就位后不會出現(xiàn)召回產(chǎn)品、服務(wù)請求或者上門服務(wù)，這降低了系統(tǒng)的TCO（總擁有成本）。

 

（16）由于對關(guān)鍵系統(tǒng)元件進行了微縮或者更新為下一代版本，因此可編程再配置性能夠輕松地滿足電源要求的變化。

 

（17）可編程再配置性可輕松地滿足由于海量外圍存儲器和數(shù)字 LCD、LED或等離子顯示板等外接器件不斷變化的接口信號標(biāo)準(zhǔn)而導(dǎo)致的系統(tǒng)電源要求的變化。

 

 

為了確保您能夠選擇一款具有低風(fēng)險降低優(yōu)勢的 PPS控制器 IC，可參照下列具體的特征：

 

（1）充足數(shù)量的頻道通道，以滿足系統(tǒng)需求，以便 PPS控制器 IC能夠完成整個工作；

 

（2）每個通道電壓輸出和過電流設(shè)置值均可編程；

 

（3）每個通道停機能力可編程，以執(zhí)行各種節(jié)電方案；

 

（4）即便系統(tǒng)關(guān)機或者處于休眠模式，仍保持需要接收電源的系統(tǒng)區(qū)段的線性穩(wěn)壓器帶電；

 

（5）直觀易用的設(shè)計和配置軟件；

 

（6）對元件隨時間和溫度出現(xiàn)的偏移不敏感；

 

（7）采用芯片內(nèi) PROM的內(nèi)置自動自配置；

 

（8）對關(guān)鍵參數(shù)的簡單數(shù)字化外部控制，從通道電源電壓開始；

 

（9）可方便地通過外部主機處理器讀取控制器狀態(tài)；

 

（10）完全集成的過電壓保護、欠電壓閉鎖和過電流保護；

 

（11）自動電壓饋送勻變定時和排序；

 

（12）可編程復(fù)位定時，電源良好，啟用門控和延時。

 

 

圖2所示為 PPS控制器 IC的簡化框圖，它擁有所有優(yōu)點并且滿足上述所有準(zhǔn)則。圖形所示為 Exar XRP7714和 XRP7740、兩針兼容 PPS控制器 IC的方框圖。

圖2， XRP7714/7740 PPS控制器方框圖

 

XRP7714和 XRP7740 PPS控制器 IC結(jié)合了執(zhí)行5輸出 PPS所需的所有功能。芯片含四個可編程開關(guān)電壓控制器以及集成的 FET驅(qū)動器，可驅(qū)動大電源和小電源 MOSFET，以每通道2A~20A的電流生成開關(guān)電源，XRP7740擁有更大電源的門驅(qū)動器。大電源MOSFET和幾個額外的無源器件便是在四種不同的可編程電源電壓下執(zhí)行四個高電流開關(guān)電源操作所需的一切。XRP7714和 XRP7740也包含了一個可配置的線性100mA低壓差線性（LDO）穩(wěn)壓器，可提供第五種系統(tǒng)電源電壓（3.3或5V）?？墒褂每膳渲肔DO穩(wěn)壓器作為必須保持加電的系統(tǒng)元件的保持電源，系統(tǒng)其余部分?jǐn)嚯姟?/div> [page]