Leiterplatte Blog - Programmierbares Leistungsmanagementschema für PCB Board Design

PCB Board Power Management beschäftigt sich im Allgemeinen mit allen Aspekten, die bei der Stromversorgung einer PCB Board involviert sind. Einige häufig behandelte Themen sind:

1. Wählen Sie verschiedene DC-DC-Wandler aus, um die Leiterplatte mit Strom zu versorgen;

2. Ein- und Ausschalten der Sequenzierung / Verfolgung;

3. Spannungsüberwachung.

In diesem Artikel wird Power Management einfach definiert als die Verwaltung aller Leistung auf der Leiterplatte (einschließlich DC-DC-Wandler, LDOs usw.). Das Leistungsmanagement umfasst folgende Funktionen: Verwaltung des DC-DC-Controllers auf der Leiterplatte. Zum Beispiel Hot-Plug, Soft-Start, Sequenzierung, Tracking, Toleranz und Regulierung; alle relevanten Leistungszustände und Steuerlogiksignale erzeugt werden. Zum Beispiel zurücksetzen Sie die Signalerzeugung, die Anzeige eines Stromausfalls (Überwachung) und das Spannungsmanagement. Figur 1 zeigt eine typische Leistungsmanagementfunktion auf einer Leiterplatte mit einer CPU oder einem Mikroprozessor; die Hot-Plug-/Soft-Start-Steuerfunktion dient zur Begrenzung des Einlaufstroms, um die Anlastbelastung der Stromversorgung zu reduzieren. Dies ist eine wichtige Funktion für Leiterplatten, die in aktive Substrate eingesetzt werden; Leistungssequenzierungs- und Verfolgungsfunktionen werden verwendet, um zu steuern, wie mehrere Stromversorgungen eingeschaltet werden. Fehlerüberwachung aller Spannungen, um den Prozessor vor drohendem Stromausfall zu warnen. Diese Funktion wird auch als "Aufsichtsfunktion" bezeichnet. Die Reset Generation-Funktion sorgt für einen zuverlässigen Startzustand für den Prozessor, wenn der Prozessor eingeschaltet ist. Einige Prozessoren verlangen, dass das Reset-Signal für einen Zeitraum bleibt, nachdem alle Betriebsleistungsquellen des Prozessors stabil sind. Dies wird auch als Reset Pulse Stretching bezeichnet. Die Funktion des Reset-Generators besteht darin, den Prozessor im Reset-Modus im Falle eines Stromausfalls zu halten, um unerwünschte Fehler im PCB-Board-Flash-Speicher zu verhindern

1. Einschränkungen herkömmlicher Strommanagementlösungen

Traditionell wird jede Leistungsmanagementfunktion auf der Leiterplatte durch eine separate funktionale IC implementiert. Diese ICs sind in verschiedenen Modellen für verschiedene Spannungskombinationen erhältlich. Auf diese Weise gibt es Hunderte von Einfunktions-IC-Modellen verschiedener Hersteller, um unterschiedliche Strommanagementbedürfnisse zu erfüllen. Zum Beispiel zur Auswahl eines Reset-Generator-IC-Modells müssen folgende Informationen bereitgestellt werden:

1) die Anzahl der von dem Reset Generator IC zu überwachenden Spannungskanäle;

2) eine Kombination von Spannungen (3,3, 2,5, 1,2 oder 3,3, 2,5, 1,8 usw.);

3) % der Fehlererkennungsspannung (3,3V-5%, 3,3V-10%, etc.);

4) Genauigkeit (3%, 2%, 1,5%, etc.);

5) Die Rückstellpulsverlängerungsfunktion wird durch einen externen Kondensator gesteuert;

6) Manuelle Rücksetzeingabe.

Um alle möglichen Variationen dieser Parameter zu bewältigen, können es Hunderte von Modellen eines Herstellers allein für eine einzige Reset-Generator-IC geben. Wenn der Ingenieur (wahrscheinlich) während des Konstruktionsprozesses eine andere Spannung überwachen muss, muss auch ein anderes Modell ausgewählt werden. Ebenso sind viele Einfunktions-ICs in vielen Varianten basierend auf unterschiedlichen Parametern, auch für die gleiche Funktion, wie Hot-Swap-Controller, Leistungssequenzer und Spannungsüberwachungs-/Detektorfunktions-ICs verfügbar. Für jede Leiterplatte eines aus mehreren Leiterplatten bestehenden Systems ist ein anderer Satz dieser Einfunktions-ICs erforderlich, wodurch auch der Materialaufwand erhöht wird.

2. Die Komplexität des PCB-Board-Designs nimmt weiter zu

Wenn der Einsatz von Einfunktions-Strommanagement-ICs jemals bewältigbar war, ist es eine Sache der Vergangenheit. Viele Leiterplatten verwenden jetzt in der Regel mehrere Mehrspannungsgeräte, die jeweils eine andere Power-up-Sequenz haben. Geräte mit feineren Prozessknoten erfordern niedrigere Spannungen, aber höhere Ströme. Entwickler müssen oft einen Lastpunkt pro Mehrspannungsleistungs-IC nutzen. Auf diese Weise steigt die Anzahl der auf der Leiterplatte verwendeten Stromversorgungen. Das Leistungsmanagement wird komplexer, da Versorgungsspannungsschleifen zunehmen und mehrere Sequenzierungsverwaltungen erforderlich sind. Da PCB-Board-Designs komplexer werden, werden traditionelle Power Management-Lösungen schwieriger zu handhaben. Derzeit müssen Konstrukteure, die Strommanagement mit herkömmlichen Einfunktions-ICs implementieren, entweder auf die Überwachung bestimmter Spannungen verzichten oder mehrere Einfunktionsgeräte für jede Strommanagementfunktion verwenden. Keine der folgenden beiden Methoden ist empfehlenswert.

1) Erhöhen Sie die PCB-Fläche und reduzieren Sie die Zuverlässigkeit

Die Zunahme der Anzahl der Einfunktions-ICs und die daraus resultierende Vernetzung zwischen ihnen erhöht nicht nur die Leiterplattenfläche, sondern verringert auch die Zuverlässigkeit der Leiterplatte aus statistischer Sicht. Zum Beispiel ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit von Montagefehlern zu erhöhen, was zu unvorhergesehenen (sicherlich schlechten) Ergebnissen führt.

2) Zweiter Versorgungskanal und Konstruktionskompromiss

Wenn Einfunktionsgeräte von verschiedenen Lieferanten gekauft werden, besteht ein erhöhtes Risiko von Produktionsverzögerungen, da selbst eines der Geräte nicht pünktlich ankommt. Dies wiederum führt zur Notwendigkeit eines zweiten Versorgungskanals. Der zweite Kanal reduziert jedoch die Verfügbarkeit der Geräte für den Konstruktionsingenieur und zwingt die Konstrukteure, aufgrund dieser außerhalb der Reichweite stehenden Geräte die Fehlerüberwachungsabdeckung auf der Leiterplatte zu opfern. Die Montage- und Testkosten sind proportional zur Anzahl der im System verwendeten Geräte. Die Einheitskosten des Geräts sind umgekehrt proportional zum Kaufvolumen. Da viele Geräte in einem gegebenen System benötigt werden, werden weniger von jedem Gerät benötigt, um das System zu bauen, was die Gesamtsystemkosten erhöht. Angenommen, ein System hat 10 Leiterplatten, werden 1.000 solche Systeme pro Jahr hergestellt. Wenn jede Leiterplatte eine Einfunktions-IC für das Strommanagement verwendet, sind etwa 10 verschiedene Einfunktions-ICs erforderlich, um das Design abzuschließen. Der jährliche Bedarf an diesen Einfunktions-ICs liegt bei 1.000 Stück. Der Einheitspreis in Chargen von 1.000 ist natürlich höher als der Einheitspreis in Chargen von 10.000. Daher sind die Kosten der ehemaligen Leistungsmanagementlösung definitiv höher als die Verwendung der gleichen Einfunktions-Leistungsmanagement-IC für alle Leiterplatten. Traditionelle Strommanagementschema, die mit mehreren Einfunktions-IC-Geräten implementiert wurden, gehören in den 1980er Jahren zur Vergangenheit, als digitale Designer TTL-Gates zur Implementierung von Logikfunktionen verwendeten. Da die Komplexität der Leiterplatte zunimmt, müssen Designer zwischen der Verwendung einer ASIC mit Festfunktion oder der Erhöhung der Anzahl der verwendeten TTL-Gates wählen. Nicht überraschend nimmt die Anzahl der TTL-Geräte, die in Systemkonstruktionen verwendet werden, dramatisch zu.

Das Aufkommen programmierbarer Logik-Geräte (PLDs) hat es Designern ermöglicht, mehr Funktionalität innerhalb eines bestimmten Leiterplattenbereichs zu erreichen und hat auch die Markteinführungszeit verkürzt. Auch die Gesamtsystemkosten werden reduziert, indem die Anzahl der im System verwendeten Komponenten reduziert wird. Da die gleiche PLD in mehreren Ausführungen verwendet werden kann, wird die Anzahl der im System verwendeten Komponenten reduziert. Unternehmen können auf einer kleinen Anzahl von PLD-Geräten standardisieren, ohne die erforderliche Funktionalität jeder Leiterplatte zu opfern. Es ist viel einfacher, eine kleine Anzahl von PLDs zu verwalten als viele TTL-Gates. Die gleiche PLD kann für mehrere PCB-Designs verwendet werden, wodurch die Notwendigkeit eines zweiten Versorgungskanals reduziert oder sogar eliminiert wird. Designer können Software verwenden, um Entwürfe zu simulieren, bevor sie abgelegt werden, was ihre Erfolgschancen erhöht. Derzeit ist die Verwendung von Single-Function Power Management ICs so altmodisch wie die Verwendung von TTL Gates in der Vergangenheit. Die Konstruktion von heutigen komplexen Leiterplatten erfordert "Power Management PLDs". Tatsächlich sollte die Annahme dieses Geräts jetzt ein Angebot für PCB-Board-Design sein.

3. Programmierbares Strommanagementschema

Eine typische PCB Board Power Management Implementierung verwendet eine einzige programmierbare Power Management Gerät. Programmierbare Stromverwaltungsgeräte erfordern programmierbare analoge und digitale Abschnitte, um die Integration mehrerer herkömmlicher Einfunktions-Stromverwaltungsgeräte zu vereinfachen. Designer können den programmierbaren analogen Abschnitt konfigurieren, um eine Reihe von Spannungskombinationen zu überwachen, ohne auf ein speziell konfiguriertes, fabriksprogrammiertes Einfunktionsgerät zurückzugreifen. Der programmierbare digitale Teil der Strommanagementeinrichtung ist erforderlich, um Logik für die Leiterplatte zu definieren, die programmierbare Leistungsüberwachungsfunktionen wie Reset-Erzeugung, Stromausfälle unterbrechen Erzeugung und Sequenzierung einzelner Stromversorgungen umfasst. Eine softwarebasierte programmierbare Konstruktionsmethode ermöglicht es Strommanagementgeräten, mehrere boardspezifische Strommanagementfunktionen bereitzustellen.

4. Programmierbarkeit standardisiert Strommanagement

Durch die einfache Neukonfiguration des programmierbaren Geräts können Designer alle boardspezifischen Leistungsmanagementfunktionen mit einem einzigen programmierbaren Leistungsmanagementgerät implementieren. Das gleiche programmierbare Gerät kann auf mehreren Leiterplatten verwendet werden, anstatt mehrere Einfunktions-ICs zu verwenden. Dadurch können Designer im gesamten Design auf einem einzigen programmierbaren Strommanagement-Gerät standardisieren. Die Konsolidierung von Leistungsmanagementfunktionen in ein einziges programmierbares Leistungsmanagementgerät und die Verwendung desselben Geräts auf mehreren Leiterplatten bieten die folgenden Vorteile:

1) Reduzieren Sie die Größe der Leiterplatte und erhöhen Sie die Zuverlässigkeit

Der Hauptvorteil der Integration mehrerer Einfunktions-ICs in ein Gerät ist die reduzierte Leiterplattenfläche. Die reduzierte Bauteilzahl und die entsprechenden Verbindungsspuren reduzieren PCB-Fläche und Kosten. Statistisch gesehen erhöht die reduzierte Bauteilzahl auch die Zuverlässigkeit der Leiterplatte.

2) Fähigkeit, komplexe Strommanagementbedürfnisse zu erfüllen

Die Zahl der Stromversorgungen, die heute auf PCB-Boards verwendet werden, nimmt zu. Darüber hinaus steigt die Komplexität der Überwachungs- und Steuerungsfunktionen. Da programmierbare Leistungsmanagementgeräte mehr Leistungsüberwachungseingänge (im Vergleich zu Einfunktions-ICs) und programmierbare digitale Logik integrieren, eignen sich diese Geräte besser für die Implementierung komplexer Leistungsmanagementfunktionen. Darüber hinaus bietet die Programmierbarkeit die Flexibilität, sich schnell an sich ändernde Spezifikationsanforderungen anzupassen.

3) Keine Notwendigkeit für einen zweiten Versorgungskanal

Im Allgemeinen ist der zweite Kanal eine Vorsichtsmaßnahme, die ergriffen wird, um Produktionsverzögerungen aufgrund der Nichtverfügbarkeit von Geräten zu umgehen. Dieser Bedarf wird durch die Tatsache verschärft, dass ein typisches System tatsächlich mehrere kleine Einfunktionsgeräte von verschiedenen Lieferanten erfordert. Durch die Standardisierung auf einem einzigen programmierbaren Leistungsmanagementgerät auf allen Leiterplatten und Projekten kann der Bedarf an einem zeitaufwendigen und ressourcenintensiven zweiten Kanal deutlich reduziert oder vollständig eliminiert werden.

4) Niedrigere Gesamtsystemkosten

Programmierbare Leistungsmanagementgeräte sind in der Regel günstiger als die Summe einzelner Einfunktions-ICs. Darüber hinaus wird für mehrere Leiterplatten im System ein standardisiertes Leistungsmanagement implementiert, was durch höhere Rabatte aufgrund größerer Chargen die Kosten weiter senkt.

5) Die Leistungsmanagementfunktion kann durch Software realisiert werden

Entworfen mit programmierbaren Strommanagementgeräten, die in Software implementiert sind. In der Regel unterstützt das Software-Design-Tool auch die Verifizierung von Leistungsmanagement-Algorithmen, die auf den PCB-Board-Simulatoren verwendet werden. Da das Power-Management-Design vor der Einführung des Boards vollständig überprüft wird, ist die Wahrscheinlichkeit einer sexuellen Übergabe hoch, was das Tempo der Produkteinführung weiter beschleunigt.

Die Anzahl der Stromversorgungen, die auf heutigen Leiterplatten verwendet werden, nimmt weiter zu, und die Strommanagement-Algorithmen werden noch komplexer. Traditionelle veraltete Strommanagementsysteme werden jedoch immer noch häufig in diesen zunehmend anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt, wodurch die PCB-Konstruktion ineffizient und teuer ist und oft aufgrund unvermeidlicher Kompromisse zu schlechten Ergebnissen führt. In diesem Artikel wird ein Design für dieses komplexe Strommanagementproblem vorgestellt: Programmierbare, gemischte-Signal-Strommanagementgeräte. Designer können auf "Power Management PLDs" standardisieren und das Gerät im gesamten System PCB Board verwenden, Kosten senken, Zuverlässigkeit erhöhen und die Markteinführungszeit beschleunigen.