標(biāo)準(zhǔn)化的要求

通過附加外設(shè)來擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的功能時(shí)，需要使用標(biāo)準(zhǔn)接口才能實(shí)現(xiàn)不同廠商應(yīng)用的全部功能。使用無線通信增加臺(tái)式機(jī)的功能，或者通過使用更多的內(nèi)存條來增加筆記本電腦的內(nèi)存，這些方法使得低價(jià)的入門級(jí)計(jì)算機(jī)可以升級(jí)或根據(jù)個(gè)人需要進(jìn)行添減。20世紀(jì)90年代初，個(gè)人電腦附加卡標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)使得不同供應(yīng)商的內(nèi)存條都可以用到筆記本電腦上。PCMCIA（個(gè)人計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)卡國際協(xié)會(huì)）的成立規(guī)范了接口標(biāo)準(zhǔn)，允許使用閃存或硬盤驅(qū)動(dòng)器等插入式附加卡來擴(kuò)展筆記本電腦內(nèi)存。許多其他廠商自然很快就意識(shí)到，他們的專用功能也可以通過PCMCIA卡添加到這些設(shè)備上。

存儲(chǔ)、通信和游戲應(yīng)用等方面制造商加入了PCMCIA，理解這個(gè)接口標(biāo)準(zhǔn)或?qū)@個(gè)標(biāo)準(zhǔn)施加影響，使筆記本電腦可以使用他們的器件。隨著主機(jī)系統(tǒng)和卡應(yīng)用的多樣化，設(shè)計(jì)師們很快就發(fā)現(xiàn)需要慎重考慮卡的工作和啟動(dòng)電源要求，防止供電和系統(tǒng)故障。例如，許多應(yīng)用所需的磁盤驅(qū)動(dòng)器馬達(dá)啟動(dòng)或電源保持電容是一個(gè)潛在的問題。它們可能會(huì)導(dǎo)致很大的浪涌電流，使得主機(jī)電源過載，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或超過主機(jī)供電MOSFET電源開關(guān)的安全工作區(qū)（SOA）。PCMCIA標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)需要解決的問題包括電壓、電流（包括浪涌電流）和定序。雖然PCMCIA早已解散，其標(biāo)準(zhǔn)化的電源供電規(guī)范現(xiàn)在仍在其他各種附加卡中使用，包括取代PCMCIA卡的PC卡。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

類似PC卡，PCI Express（PCIe）解決了PC中附加卡的電源要求。并且適用同樣的電源供電考慮，類似PC卡，PCIe卡也可以生成次級(jí)電壓，根據(jù)不同的應(yīng)用，需要定序和監(jiān)測。此外，仍需使用外設(shè)來預(yù)防浪涌電流，而其輸入電容循環(huán)充放電，相當(dāng)于添加和移除外設(shè)。電源管理已經(jīng)從由分立邏輯電路和ASIC控制器實(shí)現(xiàn)的MOSFET開關(guān)，控制一個(gè)或兩個(gè)電壓，發(fā)展到ASSP，如熱插拔/軟啟動(dòng)控制器、電源定序器和跟蹤器、電壓監(jiān)控器、復(fù)位發(fā)生器和看門狗定時(shí)器。然而，隨著不同應(yīng)用需要不同的組合和不同版本的ASSP，全面的電源管理設(shè)計(jì)可能會(huì)昂貴而且復(fù)雜。由于有來自許多不同的廠商提供的數(shù)百種器件，選擇正確組合的器件可能是十分艱巨的任務(wù)。因而，設(shè)計(jì)師們常常會(huì)簡化他們的電源管理設(shè)計(jì)，無視某些可能出現(xiàn)的故障情況或者假設(shè)某種特定的序列會(huì)一直出現(xiàn)。舉一個(gè)例子，一個(gè)電源管理設(shè)計(jì)僅監(jiān)測輸入電源電壓，然后通過一個(gè)穩(wěn)壓器電壓正常來使能下一個(gè)穩(wěn)壓器，從而實(shí)現(xiàn)其他次級(jí)電壓的上電?？梢钥隙ǖ氖?，這種方法不需要獨(dú)立的定序器和多個(gè)高精度電壓監(jiān)測器來監(jiān)視每個(gè)電壓，從而降低了成本和復(fù)雜性。但是，盡管這種順序上電的方法降低了成本和復(fù)雜性，電源故障的響應(yīng)時(shí)間可能顯著延遲，這將導(dǎo)致嚴(yán)重的數(shù)據(jù)損壞，產(chǎn)生不完整的數(shù)據(jù)包并且破壞已經(jīng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

圖1——PCIe電源需求

PCIe為各種插槽定義了電壓、電流和卡輸入電容。圖1顯示了PCIe規(guī)范，定義了+12 V和3.3 V電源和容限、容性負(fù)載和最大電流，包括不同的卡的浪涌電流。PCIe還支持熱插拔卡，需要仔細(xì)考慮限制熱插拔卡的啟動(dòng)電壓擺率。應(yīng)使用電壓監(jiān)控器監(jiān)測輸入電源，以確定電壓擺率的限制。雖然PCIe不指定電源上電時(shí)序，一個(gè)使用次級(jí)電源的獨(dú)立應(yīng)用可能需要復(fù)雜的時(shí)序。

圖2——PCIe啟動(dòng)波形

圖2顯示了一個(gè)PCIe卡的啟動(dòng)時(shí)序。箭頭所示的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是在卡插入后的100ms周期內(nèi)，12V和3V電源穩(wěn)定。100ms后，該卡通過PCIe總線主機(jī)發(fā)出PERST#高電平信號(hào)使能。通常100ms時(shí)間太短，不足以完成卡上次級(jí)電源上電和大型FPGA、ASIC和其他配置器件的初始化。通常需要脈沖展寬或PERST#信號(hào)延遲來滿足每塊板的需求。

圖3——斷電波形

圖3顯示了一個(gè)PCIe卡的斷電時(shí)序。PERST#初始化關(guān)斷，使器件能夠以可控的方式在供電電源衰減之前斷電。如果卡在插槽通電時(shí)突然拔出，器件將突然斷電，這可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。因而，應(yīng)當(dāng)小心設(shè)計(jì)電路板，使它們能夠處理突然的拔出并以可控的方式使電路板斷電。

設(shè)計(jì)PCIe電源管理時(shí)需要應(yīng)對(duì)大量挑戰(zhàn)。例如：

.浪涌電流隨每個(gè)設(shè)計(jì)而變化，但是不能有任何瞬時(shí)超過PCIe最大的電源電流規(guī)范。浪涌電流的幅度和持續(xù)時(shí)間取決于電路板的輸入電容和其他各種因素，如FPGA或ASIC的啟動(dòng)電流。

.針對(duì)每個(gè)應(yīng)用，卡可能需要不同的熱插拔控制器電路。

.定時(shí)可能會(huì)延長到超過100ms PERST#信號(hào)，延緩復(fù)位時(shí)序、實(shí)現(xiàn)電源上電、FPGA配置時(shí)間和CPU復(fù)位。

.設(shè)計(jì)必須足夠快，以至于在熱拔出時(shí)能夠瞬間響應(yīng)并使電路板斷電，從而不破壞系統(tǒng)。

.所有電源都應(yīng)監(jiān)測欠壓和過壓條件，從而保證工作數(shù)據(jù)的完整性。

.電源時(shí)序應(yīng)該是靈活的，因?yàn)樗鼘?duì)于每個(gè)應(yīng)用而言是唯一的，需要根據(jù)設(shè)計(jì)更改的需要而改變。

.包含CPU等復(fù)雜芯片的電路板通常在I/O電壓初始化前需要一個(gè)穩(wěn)定的內(nèi)核電壓。

分立設(shè)計(jì)的限制

這些挑戰(zhàn)如何解決？傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)PCIe卡電源管理的方法是使用一個(gè)分立的解決方案。圖4說明了這樣一個(gè)方法，熱插拔控制器、定序器、監(jiān)控器、復(fù)位發(fā)生器和看門狗定時(shí)器都單獨(dú)實(shí)現(xiàn)。然而，這種方法有嚴(yán)重的缺點(diǎn)。分立的實(shí)現(xiàn)方案需要研究數(shù)據(jù)手冊(cè)，以便從廣泛的器件中進(jìn)行選擇。分立的設(shè)計(jì)不靈活，因?yàn)槿魏卧O(shè)計(jì)上的變化或者一個(gè)不同的應(yīng)用，都將需要不同的分立器件組合。依靠R/C網(wǎng)絡(luò)建立的時(shí)序和控制電路，它們的時(shí)序?qū)?huì)隨著元器件、使用時(shí)間和電源電壓的變化而改變。最后，由于來自多個(gè)廠商的器件之間的互操作性問題，導(dǎo)致分立設(shè)計(jì)對(duì)諸如意外拔出等故障情況的響應(yīng)速度慢。

圖4——電源管理的分立實(shí)現(xiàn)

集成的解決方案

電源管理集成到一個(gè)系統(tǒng)能顯著降低成本，不僅可以提供所有電源管理功能，而且避免了相同功能的重復(fù)實(shí)現(xiàn)。共享資源的功能可以合并。例如，多個(gè)電壓監(jiān)控器、定序器、熱插拔控制器、復(fù)位發(fā)生器集成電路和微調(diào)和裕度的功能，可以使用一塊集成電路實(shí)現(xiàn)。一個(gè)非常精確的帶隙基準(zhǔn)可以由多種功能共享，進(jìn)一步降低成本而不犧牲準(zhǔn)確性和可靠性。更重要的是，集成將消除分立解決方案中的通信時(shí)間延遲。可以在幾十微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)故障響應(yīng)，而不是使用微處理器監(jiān)控的系統(tǒng)通常所需的幾百毫秒。微調(diào)、裕度和電壓測量可以通過添加一個(gè)ADC和一個(gè)DAC輕松實(shí)現(xiàn)。

ASIC可以結(jié)合一些電源管理所需的分立器件。但是，它們通常需要一些額外的集成電路，包括一個(gè)微處理器來實(shí)現(xiàn)解決方案，并且還包括一些不屬于該應(yīng)用所需的功能。此外，基于ASIC的解決方案很難仿真，而且作為一種“固定”的方法，它要求任何更改都在電路板外實(shí)現(xiàn)。

另一種更有效的方法是使用一個(gè)單一的集成電源管理IC。通過集成所有的電源管理功能，解決了分立解決方案的幾個(gè)關(guān)鍵問題。來自不同供應(yīng)商的獨(dú)立器件所引起的內(nèi)部通信以及對(duì)系統(tǒng)錯(cuò)誤情況響應(yīng)慢的問題得到緩解：可以在短短幾微秒內(nèi)進(jìn)行處理。整體成本也降低了，因?yàn)殛P(guān)鍵的功能由幾個(gè)通道共享。

例如，萊迪思POWR1014A集成了10個(gè)可編程電壓監(jiān)控器，使用一個(gè)帶隙基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了所有通道0.3％的電壓監(jiān)測精度。

圖5——POWR10414A結(jié)構(gòu)

內(nèi)部時(shí)鐘和內(nèi)置數(shù)字定時(shí)器解決了使用外部R/ C網(wǎng)絡(luò)的器件所引起的不精確的問題。數(shù)字I/O、可編程定時(shí)器和CPLD內(nèi)核監(jiān)測PERST#和PRSNT#，并且產(chǎn)生特定卡的時(shí)序以確保正確的時(shí)序和配置。根據(jù)輸入可以產(chǎn)生額外的信號(hào)，通知系統(tǒng)復(fù)位或欠壓情況。POWR1014A包含兩個(gè)充電泵，用于控制N溝道的MOSFET。通過改變柵極電壓和充電率，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的電流和電壓以保證滿足PCIe的限制，可以很容易地為每個(gè)應(yīng)用定制熱插拔功能。CPLD內(nèi)核可以輕松地為各種應(yīng)用、電路板和供應(yīng)商更改而修改設(shè)計(jì)。使用萊迪思的PAC- Designer設(shè)計(jì)軟件，可以很容易地配置輸入和輸出，對(duì)CPLD內(nèi)核進(jìn)行編程。

總結(jié)

PCI Express已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了個(gè)人電腦和附加卡之間的接口和時(shí)序。各種應(yīng)用需要為每一個(gè)獨(dú)特的電流、時(shí)序、電壓和定序功能定制設(shè)計(jì)。分立的解決方案昂貴且缺乏精確的時(shí)序、精度低，還有由于較多元器件材料所引起的可靠性問題和一旦設(shè)計(jì)需要更改時(shí)的靈活性問題。萊迪思的POWR1014A將PCIe電源管理集成到了一個(gè)精確、靈活、可編程和低成本解決方案中。