降低可编程电源系统设计风险的方式

由于当前复杂逻辑器件的多元化及不断变化的电源要求，关于系统设计师来说，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。逻辑运行要5V电源，硬盘和软盘驱动器要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按时对系统初始化起着至关重要的用途。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按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所示相同，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。

电源问题以及系统设计师的设计风险

系统设计师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，要返工，因而延误了产品的推出。

此外，系统设计师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出现的设计风险，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出现的新要求来调整。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上升，电源系统要拥有比以往更高的能力应对当前的复杂系统。除了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要三种或四种电源电压。

表1显示了持续几代XilinxVirtex和SpartanFpGA所需的电源电压。需注意的是，有些FpGA要两种电源电压，有些要三种，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,XilinxFpGA系列和各代产品的电源电压。

其他FpGA厂商（包括Altera和Lattice）关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,AlteraFpGA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。

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法。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，要将电源系统的能力改进数倍，这就要求电源供应匀变倍数，并且精确控制各种电源轨之间的按时关系。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。

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何有着更多需求。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。假如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法是购买对偏移敏感度较低的更昂贵外部元件，关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，什么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按时关系、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出现一个多芯片解决方法。尽管这一方法最初可以估算电源电压排序和复位按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法会降低精密度。

现在我们要什么？

我们现在要的是一个可编程电源或者系统（ppS），它应该能够供应多种精细可编程电源电压，并且在各个电源电压之间供应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供应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供应灵活的可编程序逻辑结构相同，ppS也能够为系统设计供应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。关于ppS来说，由于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，系统设计师能够显着增强电源系统的特点而不会新增成本。

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。关于某些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。

为可编程电源控制器芯片供应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。