降低可编程电源系统设计风险的17种方式

2万 · 2014-6-13 23:54

由于当前复杂逻辑器件的多元化及不断变化的电源要求，对于系统设计师来说，开发能够满足系统电源需求的电源系统也变得越发艰难。开发期间及开发之后，与电源电压的调整需求相比，固定电压电源系统的灵活性差，这会增大设计风险，导致设计项目延迟甚至被取消。而可编程电源系统能够满足这种灵活性的需求，从而圆满地解决这一问题。本文论述了可编程电源系统的优势和收益，并且讨论了众多降低系统设计风险的方法。

多年前，系统设计师在设计系统电源时相对容易一些。逻辑运行需要5V电源，硬盘和软盘驱动器需要 12V电源；系统其他器件采用双电源电压来运行，或者可以添加一个负电压电源。指定三种电源。易用性。

如今的复杂逻辑器件（FPGA、ASIC、SoC、ASSP等）有着更为复杂的电源要求。系统中一个芯片便有可能需要三种或四种电源电压。更糟糕的是，多个电源电压的启动顺序和定时对系统初始化起着至关重要的作用。断电操作期间切断电压的顺序对芯片的正常停机同样重要，并且还能够极为有效地防止电源对IC造成的损坏。复位线或者多个复位线与电源电压之间的定时关系也同样相当重要。

此外，电源系统必须与当前的许多复杂系统实时交互，并且必须能够根据快速波动线和加载要求来实现实时重新配置。简而言之，与从前相比，当今复杂数字系统的电源系统设计有着更为深远的考量，它促进了电源管理系统的发展，与图1所示一样，这是为了满足当今越来越复杂的系统设计需求。然而，与以往相比，系统设计师却较少考虑到这些问题，这是由于他们更加关注极复杂逻辑系统的工作性能，以及大量相关固件是否能够与硬件设计充分集成。

图1，合并有电源管理系统的系统设计简化框图。

2万 · 2014-6-13 23:54

电源问题以及系统设计师的设计风险

系统设计师需要定制电源以便处理当今 FPGA、介质处理器、ASIC、SoC和 ASSP 的电源需求。在未来，这一趋势必然仍将持续，但是有许多设计师缺乏设计高效率开关电源所需的技能，也没有时间去学习如何使用多个必要的传统电源管理控制芯片来创建多电压电源；同时还缺乏进行复杂计算的愿望，以及缺乏学习如何选择不熟悉的电源元件如电源 FET和电源电感器的愿望。简而言之，系统设计师在开发日益复杂的电源系统方面所花费的时间越来越少。正由于所花的时间不够，大大提高了设计电源时的风险，导致电源不满足要求，需要返工，因而延误了产品的推出。

此外，系统设计师需要降低由于元件置换导致的设计要求变更风险、降低由芯片电源规范更改而产生的设计风险，或者减少在整个电源电压调整期间对芯片性能进行微调的需求，所有上述风险系数都可通过利用可编程电源来缓和。可编程电源可以根据当前系统元件不断变化的要求，或者根据由于元件置换或系统扩充而产生的新要求来调整。有一种极为有效的方法可以处理生产，下线前及生产，下线后的元件变化。

因此，系统设计师需要找到能够快便捷地开发灵活插件板电源系统的新方法，该电源系统需能够实现运行时的电源电压重新编程，以处理未来在面对系统电源要求时的诸多未知难题。这种灵活且易于设计配置的电源系统可降低系统设计风险。同样重要的是：这些可编程电源系统极大地增强了设计灵活性，从而降低了系统设计风险，却不会提高电源成本。

电源发展趋势

随着当前系统复杂性越来越高，其对电源的要求也不断增长，电源系统需要拥有比以往更高的能力应对当前的复杂系统。除了需要更多样的电源电压、电源、复位顺序以及偏移不灵敏性之外，当前的系统设计还需要对电源电压进行更为精密的可编程控制，如 FPGA、介质处理器、SoC和 ASSP等高级芯片足以充分证明此点，这些芯片是当前系统的核心所在。例如，最高级的 FPGA 需要三种或四种电源电压。

2万 · 2014-6-13 23:54

表1显示了连续几代 Xilinx Virtex和 Spartan FPGA所需的电源电压。需注意的是，有些 FPGA需要两种电源电压，有些需要三种，全部三种电源电压都可以假定每一代的电压值均不相同，这取决于系统设计。

表1，Xilinx FPGA系列和各代产品的电源电压。

2万 · 2014-6-13 23:55

其他 FPGA厂商（包括 Altera和 Lattice）对于电源的要求也呈现出相似性。表2显示了 Altera的 FPGA产品系列拥有相似的电源电压信息。

表2，Altera FPGA系列和各代产品的电源电压。

表1和表2中所列的信息显示了多种 FPGA电源电压随几代元件的演变方式，因此与电源系统的讨论息息相关。系统设计有可能需要适应不同年代的FPGA或者采用不同核心电压的不同产品系列的 FPGA。此外，这些相同的系统设计也有可能需要根据系统设计中的其他芯片而满足不同的 I/O电压要求。

2万 · 2014-6-13 23:55

需注意的是，表1并未对 FPGA对电源系统所提出的要求做详细说明。所有 FPGA厂商均规定了确保 FPGA正常运行所需的每一电源电压的最小及最大必要匀变时间（单位：微秒至毫秒）。在创建电源系统时，这是系统设计师必须考虑的另一个因素。匀变时间不可过快或过慢。

对介质处理器、SoC、ASSP和 ASIC的电源电压有着类似的限制。由于对电源没有标准规范，因此 IC设计小组可自由选择完成设计所需的任何电源启动方案。满足不断变化的电源电压要求是他人的问题，而不由 IC设计小组负责。其他人通常指系统设计师。系统设计师负责满足芯片的一切电压和排序要求。当一个系统设计中有多个复杂芯片时，电源的复杂性便会翻倍。如需进一步提高复杂性，可以将一个芯片的排序要求修订为下一个序列，这样便会需要更为准确的器件特性或者会导致设计变更。此时仍然由系统设计师负责满足这些需求，无论这些需求是什么，也无论这些需求如何变化。

鉴于这些原因，从根本上逐步提高系统复杂性以及系统中所用芯片的复杂性时，需要将电源系统的能力改进数倍，这就要求电源提供匀变倍数，并且精确控制各种电源轨之间的定时关系。若欲实现电源系统的上述高级能力，通过采用早期电源管理设计方法成本巨大或者根本无法实现。

2万 · 2014-6-13 23:56

系统设计师电源简史

在查看创建可编程电源系统的潜在设计方法之前，我们来简要回顾一下早期的方法，以便理解如今的系统设计为什么有着更多需求。插件板上或负载点（POL）电源系统基于现有的开关模式 PWM电源控制器和简单电源管理芯片。早期的开关模式电源控制器采用易于理解的模拟 PID回路（比例，积分，微分回路）算法来调节电压。这种设计表现良好但却存在必须解决的设计问题。

首先，这种控制器对外部元件随时间和温度的偏移非常敏感。这种偏移不会影响调节精度，因此根本不会影响电源控制器的调节能力。所有调节能力的潜在损失只与回路稳定性有关。如果精心设计的补偿回路中的控制器元件与设计规范的偏移足够大，则控制回路会变得不稳定，并且控制器也根本不再进行调节。对这一问题的解决方案是购买对偏移敏感度较低的更昂贵外部元件，对于对成本较为敏感的设计来说，这一替代方式通常不建议采纳。那么当前，哪些设计对成本不敏感呢？

第二个问题是系统兼容性。如之前所讨论的那样，有几个与系统有关的问题，包括电源排序、各种插件板上电源和复位信号或多个信号间的定时关系、对一个或多个插件板上电源进线微调以实现系统正常操作的可能性。所有这些问题都需要超越单一的 PWM控制器芯片能力。

因此，IC厂商创造了能够充当“数字包封”的电源管理芯片。这些芯片可控制多个模拟 PWM控制器的加电排序，可针对电源系统的设计来产生一个多芯片解决方案。尽管这一方法最初可以估算电源电压排序和复位定时所需的灵活性类型，但由于电压被与PWM控制器芯片有关的外部元件所固定，因此不能满足用来调整系统电源电压的各种生产前及生产后的需求。此外，向包含多个 PWM控制器芯片的设计中添加电源管理芯片还会增添另一个芯片，这会提升成本、增大设计复杂性并且耗费额外的面板空间。在看重设计空间尺寸的芯片中，这种电源系统设计解决方案会降低精密度。

2万 · 2014-6-13 23:56

现在我们需要什么？

我们现在需要的是一个可编程电源或者系统（PPS），它应该能够提供多种精细可编程电源电压，并且在各个电源电压之间提供可独立调整的斜升和斜降时间以及可调的排序延时。这种电源系统设计为系统设计师提供了必要的设计灵活性。该系统如今未得到广泛应用的原因是其昂贵的价格。这种昂贵指的并不是基础技术本身，而是由于电源 IC厂商以前未曾针对设计问题采用充分的硅集成等级。但是，这种状况注定会发生变化，而且这种变化已见端倪。

正如 FPGA可以方便地针对新系统需求或者不断变化的系统需求为系统设计师提供灵活的可编程序逻辑结构一样， PPS也能够为系统设计提供一种可编程电源系统，以便匹配系统电源的所有变化或者新的要求。现场可编程性为这两种情况赋予了极大的灵活性。对于 PPS来说，由于需要将硅集成从原有的 PWM技术完全转换为数字控制电源系统，因此灵活性的增强是免费的。因此，系统设计师能够显著增强电源系统的特征而不会增加成本。
与以前开发数个固定稳压器的方法相比，可编程电源系统能够更加紧密地匹配当前复杂系统的需求。与过去相比，由于复杂 IC的电源电压达到了前所未有的稳定性，因此如今的系统设计师对灵活性的要求更高。从前制作的 FPGA、微型控制器、SoC和 ASIC拥有稳定的电源电压规格，但是新零件，特别是仍处于α或β采样阶段的新零件，在下一次修订时就有可能提出不同的要求。只有可编程电源系统能够满足这种情况下所需的灵活性。

此外，有可能需要由可编程电源系统通过调节元件的工作电压来调整各种系统元件的运行速度。当工作电压处于 1V时，对电源电压进行“微调”会变得越来越普遍。

但即便在这种灵活性下，PPS的设计仍然比传统开关电源的设计更加简便。PPS器件采用基于软件的设计工具来支持，这样能够更加简便地确定所需的电源电压并且从设计工具中获取所需的材料表（BOM）。此外，由于电源系统可编程，因此可以在电压范围内调整电源系统的输出，只需改动 PPS控制器的编程即可。对于某些 PPS控制器芯片来说，在系统操作期间，串行端口能够让插件板上的微型控制器来调整电源电压。

PPS控制器还能够为系统设计师带来另一个实质性的设计优势：只需了解一个器件，便可掌握21世纪系统所需的所有电源电压范围。了解一个器件以及与该器件有关的一个软件设计工具便能够让系统设计师掌握所有电源要求-初始要求、开发要求以及操作要求-这样能够简化产品电源系统的设计。

2万 · 2014-6-13 23:58

为可编程电源控制器芯片提供 17种降低风险的方式

当系统设计师在其设计中采用了各种不同的复杂逻辑器件时，PPS控制器 IC能够让他们以更为简便的方式满足电源需求。PPS控制器至少有 17种可以降低风险的具体方式：

（1）一个 PPS控制器 IC可替换多个电源管理控制器，并且相关的系统设计有一个由集成电源系统管理器控制的可配置 PPS设计，这简化了插件板上的电源管理以及负载点的电源电压调节，同时提高了整个可编程性范围内的电源可控性，以相同或者更低的BOM成本实现了更高的能力和更大的灵活性。

（2）PPS控制器 IC能够显著降低系统电源的元件数量，同时极大地扩展可控性。与基于模拟 PWM控制器的电源管理芯片相比，它能够将设计电源时的插件板上无源器件数量减少至少 50%，甚至达80%，同时无需独立排序和电源管理IC。

（3）基于 PPS控制器 IC的设计可降低整个 FET驱动器和系统管理集成的板面空间，并减少无源元件的数量。

（4）PPS控制器 IC的电源设计自适应方式使得可编程电源基本上不受无源元件随时间和温度偏移的干扰，这样就降低了电源设计对无源元件容差的敏感性，降低或者消除了组合面板的拷机需求。

（5）PPS 控制器 IC的自动设计软件能够让系统设计师利用简单而熟悉的基于 GUI的设计工具来快速设计完整功能的电源，而无需花费时间去学习错综复杂的数字PWM控制或电源管理，也无需进行复杂却易于出错的元件值计算（尽管工具能够让设计师随心所欲地进行众多的详细设计）。自动工具会即时创建 BOM。

（6）PPS控制器 IC的高集成度能够让设计师采用与FPGA相似的方式增添简单参数编程并重新配置所需的更为复杂的电源性能（电源排序、延时、匀变、电流限制以及电源电压调整），而无需更改电源的硬件设计。

(7)PPS控制器 IC中的独立可编程软启动和软停机电源参数降低了关键系统元件的开通/关断应力。例如，当系统经由低等效串联电阻（ESR）启动时，不带电的电源滤波器电容器会消耗数百安培的电流。软启动电源会限制这些电流浪涌并且降低电缆、连接器和电容器本身承受的高电流应力。软关机能力可确保系统断路时，这些电容器充分放电。

2万 · 2014-6-13 23:59

(8)在整个编程过程中，PPS控制器 IC的可编程再配置性能够将最终的规范转换为新型的复杂系统元件（FPGA、微型控制器、针对应用程序的处理器）的电源要求，而无需对最终的面板等级、硬件设计进行改动。

(9)在整个器件的重新编程过程中，PPS控制器 IC的可编程再配置性能够实现复杂系统元件（FPGA、微型控制器、针对应用装置改编程序的处理器）的独特而复杂的加电和断电排序要求，而无需重新设计复杂的面板等级。

(10)PPS控制器 IC的可编程再配置性可以方便地满足不断变化的核心电源要求-例如有可能需要将FPGA更改为下一代 -只需进行简单的配置编程变更，而无需进行面板级设计更改或元件级BOM修正。

（11）PPS控制器 IC的可编程再配置性只需进行简单的编程更改，便可方便地更改 I/O电源要求（例如有可能需要从 DDR更改为DDR2、低电源/低电压DDR2或DDR3 SDRAM）。

（12）PPS控制器 IC配置参数的直接数字控制能够让系统主机、主电源或者辅助处理器来优化主系统元件的运行速度，只需稍稍改变系统中多个复杂逻辑器件的核心电源电压即可。

（13）PPS控制器 IC的直接数字控制能够让系统主机、主电源或者辅助处理器管理工作电源级别以及由可编程断电空转系统元件或者系统的整个扇区所产生的热量。

（14）PPS控制器 IC的直接数字控制通过对受影响的系统电源进行排序，或者切断失效且不重要的系统，从而让系统主机、主电源或者辅助处理器自动管理插件板上与电源有关的假信号或者故障。

（15）PPS控制器 IC的直接数字控制提供了一条通信路径，能够远程修正或者更新所有电源电压和加电/断电顺序，在系统就位后不会出现召回产品、服务请求或者上门服务，这降低了系统的TCO（总拥有成本）。

（16）由于对关键系统元件进行了微缩或者更新为下一代版本，因此可编程再配置性能够轻松地满足电源要求的变化。

（17）可编程再配置性可轻松地满足由于海量外围存储器和数字 LCD、LED或等离子显示板等外接器件不断变化的接口信号标准而导致的系统电源要求的变化。

2万 · 2014-6-14 00:00

PPS控制器 IC中实现的具体功能：

为了确保您能够选择一款具有低风险降低优势的 PPS控制器 IC，可参照下列具体的特征：

（1）充足数量的频道通道，以满足系统需求，以便 PPS控制器 IC能够完成整个工作；

（2）每个通道电压输出和过电流设置值均可编程；

（3）每个通道停机能力可编程，以执行各种节电方案；

（4）即便系统关机或者处于休眠模式，仍保持需要接收电源的系统区段的线性稳压器带电；

（5）直观易用的设计和配置软件；

（6）对元件随时间和温度出现的偏移不敏感；

（7）采用芯片内 PROM的内置自动自配置；

（8）对关键参数的简单数字化外部控制，从通道电源电压开始；

（9）可方便地通过外部主机处理器读取控制器状态；

（10）完全集成的过电压保护、欠电压闭锁和过电流保护；

（11）自动电压馈送匀变定时和排序；

（12）可编程复位定时，电源良好，启用门控和延时。

2万 · 2014-6-14 00:00

恰如其分的 PPS控制器 IC

图2所示为 PPS控制器 IC的简化框图，它拥有所有优点并且满足上述所有准则。图形所示为 Exar XRP7714和 XRP7740、两针兼容 PPS控制器 IC的方框图。

图2， XRP7714/7740 PPS控制器方框图

2万 · 2014-6-14 00:00

XRP7714和 XRP7740 PPS控制器 IC结合了执行5输出 PPS所需的所有功能。芯片含四个可编程开关电压控制器以及集成的 FET驱动器，可驱动大电源和小电源 MOSFET，以每通道2A~20A的电流生成开关电源，XRP7740拥有更大电源的门驱动器。大电源MOSFET和几个额外的无源器件便是在四种不同的可编程电源电压下执行四个高电流开关电源操作所需的一切。XRP7714和 XRP7740也包含了一个可配置的线性100mA低压差线性（LDO）稳压器，可提供第五种系统电源电压（3.3或5V）。可使用可配置LDO稳压器作为必须保持加电的系统元件的保持电源，系统其余部分断电。

除了可编程电源电压之外，XRP7714和XRP7740还可以控制电压供给的加电和断电特征。它可独立控制四个电压通道中每一个通道的匀变速度，并且可以控制电源电压之间的相对定时。最后一个特征能够让系统设计师依照FPGA、介质处理器、ASIC、SoC和ASSP等众多复杂逻辑IC的要求创建更高级的电源电压。

XRP7714和XRP7740也合并有多个系统管理功能，这些功能与电源有关，包括欠电压和电源良好监控、超温运行及故障处理。所有系统监视器均可配置，并且可以经由芯片的 I2C接口，由主机处理器对其状态进行查询。

两个器件的配置在一个名为 PowerArchitectTM的基于 PC的软件程序中进行。图3所示为 PowerArchitectTM监视屏的屏幕抓图。该屏幕抓图显示了四个高电流开关输出以及电流限制和匀变定时参数的输出电压设置值（可依照输出电压配置为 50mV或 100mV）。

图3，针对 XRP7714配置的 PowerArchitectTM屏幕截图。

2万 · 2014-6-14 00:00

输入到 PowerArchitectTM中的配置数据起两个重要作用。首先，它驱动嵌入到Digital Power Studio中的自动 BOM生成器来创建制造PPS所需的完整元件清单，该清单包括部件号和厂商建议。其次，配置参数确定了 XRP7714和 XRP7740中配置寄存器中的配置设定值。可经由芯片的 I2C输入，从芯片内 PROM或者从外部信源对这些配置寄存器进行初始化。

结论

Exar的可编程 XRP7714和 XRP7740 PPS控制器 IC构成了 PPS的核心，它可以处理系统电源电压所造成的众多不确定性，而无需对硬件设计进行后期修正。还可以有效地处理在产品制造出厂后突然出现的众多与电源相关的问题，只需下载代码即可。采用 PPS控制器 IC来创建可编程电源的优势类似于在现场采用系统电源而不是逻辑对处理器固件进行升级。这些优势有助于在未来对系统设计进行升级。Exar的 PowerXR产品系列包括 XRP7714、XRP7740和XRP7724，使得 PPS的设计方便、简单、快捷、灵活。