消費(fèi)者對(duì)于新技術(shù)的渴望是不會(huì)停歇的。為了滿足消費(fèi)者的需求，工程師們不斷將產(chǎn)品做得更小、更快、更便宜、更好。隨著尺寸變得越來(lái)越輕薄，而復(fù)雜程度越來(lái)越高，我們常常會(huì)發(fā)現(xiàn)我們熟知的那些技術(shù)已然無(wú)法滿足我們的需求。我們的設(shè)計(jì)必須與時(shí)俱進(jìn)。

現(xiàn)在的電路板（CB）比以前復(fù)雜很多，正在把當(dāng)前板級(jí)設(shè)計(jì)方案的功能推向極限。電源管理架構(gòu)方面遇到的挑戰(zhàn)正是這種趨勢(shì)的寫(xiě)照。目前有幾種常用的設(shè)計(jì)方案，但是每一種方案都要作出一定的妥協(xié)，并且隨著設(shè)計(jì)變得越來(lái)復(fù)雜，這種妥協(xié)日趨讓人難以忍受。

為了滿足需求，我們開(kāi)發(fā)了一種全新的電源管理架構(gòu)，能夠提供最佳的性能、安全性和靈活性，同時(shí)需要的開(kāi)發(fā)工作和實(shí)現(xiàn)成本要少得多。不過(guò)在介紹該電源管理架構(gòu)之前，作為本話題系列第一篇，讓我們先聊一聊現(xiàn)有設(shè)計(jì)的長(zhǎng)處和短板。

負(fù)載 vs. 硬件管理

一塊現(xiàn)代化的電路板通常被分為兩個(gè)功能塊：負(fù)載管理和硬件管理。在大多數(shù)電路板中，80-90% 區(qū)域?qū)ｉT用于“負(fù)載”功能（數(shù)據(jù)/控制平面元器件和/或處理器）。剩下的10-20% 用于硬件層面的監(jiān)控、控制或內(nèi)務(wù)處理功能，包括溫度和電源管理。

電源管理（PM）是硬件管理中至關(guān)重要的一部分，因?yàn)樗?fù)責(zé)每個(gè)電源在規(guī)定范圍內(nèi)按上電或斷電時(shí)序運(yùn)行。同時(shí)，還負(fù)責(zé)在出現(xiàn)故障和復(fù)位情況時(shí)的電源時(shí)序。溫度管理部分則用于確保電路板上的IC在允許的溫度范圍內(nèi)工作。其他硬件管理功能塊的剩余部分負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各類內(nèi)務(wù)處理功能，包括系統(tǒng)/子系統(tǒng)復(fù)位、JTAG鏈管理、I2C通訊、邏輯電平轉(zhuǎn)換、接口橋接以及其他板級(jí)控制任務(wù)。

不過(guò)，大多數(shù)現(xiàn)有的硬件管理架構(gòu)很難進(jìn)行調(diào)整以適配越來(lái)越復(fù)雜的負(fù)載功能，要解決這些挑戰(zhàn)需要付出很高的代價(jià)。目前，硬件管理部分占物料總成本的比重很不成比例。盡管這個(gè)部分僅占電路板的10-20%，它需要的設(shè)計(jì)/和調(diào)試時(shí)間卻要占到整個(gè)開(kāi)發(fā)周期的30-40% 。

電源管理元器件

大多數(shù)電源分布式網(wǎng)絡(luò)采用層次式或階梯式結(jié)構(gòu)，使用三種不同的DC-DC轉(zhuǎn)換器：

輸入電源：將電路板的輸入電源轉(zhuǎn)換為供電路板上其他DC-DC轉(zhuǎn)換器使用的主要電路板電壓。

電路板通用電源：產(chǎn)生的電壓供2個(gè)或2個(gè)以上的負(fù)載（ASIC、SOC、CPU等）使用。

器件電源：用于專門為獨(dú)立的負(fù)載器件供電。

電路板級(jí)的電源管理器必須確保輸入電源和用于為電路板負(fù)載元器件供電的DC-DC轉(zhuǎn)換器的正常和安全工作。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，電路板的電源管理部分應(yīng)當(dāng)能夠執(zhí)行以下四類關(guān)鍵的功能：

監(jiān)控“Power is Good”狀態(tài)——確保在電路板正常工作時(shí)所有的電源電壓都在安全范圍內(nèi)。尋找過(guò)壓和欠壓故障。當(dāng)偵測(cè)到故障時(shí)，啟動(dòng)應(yīng)對(duì)措施，如發(fā)出“RESET”和“POWER_OK”信號(hào)或啟動(dòng)斷電時(shí)序。

上電/斷電時(shí)序管理——按照特定順序開(kāi)啟或關(guān)閉DC-DC轉(zhuǎn)換器，避免邏輯錯(cuò)誤或是電路板損壞。

發(fā)送控制信號(hào)——為負(fù)載器件生成電源相關(guān)的控制信號(hào)（復(fù)位、電源正常等），確保負(fù)載器件能夠在上電時(shí)序完成后開(kāi)始工作，或是在驅(qū)動(dòng)斷電時(shí)序前終止運(yùn)行。

遙測(cè)或電壓和電流測(cè)量——某些電路板在正常工作期間需要對(duì)某些或所有的DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓測(cè)量。

電源時(shí)序是基于時(shí)間或事件的。在基于時(shí)間時(shí)序的系統(tǒng)中，管理電路按照固定的順序按需以預(yù)定義的延遲啟動(dòng)電源，避免IC產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤或是對(duì)IC造成損壞。使用唯一的固定關(guān)斷信號(hào)用于正常關(guān)斷操作或是偵測(cè)到故障時(shí)斷電。而基于事件的時(shí)序則不同，這類解決方案能夠?yàn)椴煌收咸峁┽槍?duì)性的反應(yīng)。能夠?yàn)椴煌燃?jí)的故障提供基于故障的斷電時(shí)序?；谑录臅r(shí)序能夠幫助設(shè)計(jì)工程師滿足當(dāng)前的器件電源要求。在很多情況中，必須使用基于事件的時(shí)序以避免對(duì)大型SoC和FPGA造成損害。

因此，設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常使用的方案是要能夠?qū)崿F(xiàn)使用算法電源管理功能。一種常用的方案是使用PLD或控制PLD。該控制PLD可以是一片基于宏單元的PLD、CPLD或小型FPGA。