基于CPLD的电路板电源管理芯片的架构
日益复杂的板级设计已经开始给当今硬件/电源管理架构的功能带来压力。虽然您可以使用四种最常用的管理体系结构中的任何一种来支持这些复杂的设计，但它们在可伸缩性、设计工作量或成本方面都需要不同的折衷和设计权衡。
最近出现的第五板管理架构可以提供最佳的性能、安全性和灵活性，同时需要更少的设计工作和实施成本。本文将探讨这种新体系结构，主要关注它提供的电源管理功能。
概述
电路板通常分为两个功能块（图1）：有效负载管理部分和硬件管理部分。在大多数电路板中，80%-90%的电路板通常用于"有效载荷"功能（数据/控制平面元件和/或处理器）。执行硬件级监视/控制或内务管理功能的电路占用剩余的10%-20%的电路板空间。
图1：在典型的电子系统中，硬件管理元件占电路板空间的10%-20%。
不幸的是，大多数现有的硬件管理解决方案都难以扩展以解决现代有效负载元素日益增长的复杂性。例如，尽管"硬件管理"部分通常仅占电路板的 10% – 20%，但其设计/调试工作可能占用总体开发时间的更大百分比 （30% – 40%）。同样，硬件管理器通常消耗总体物料清单 （BOM） 成本的不成比例的份额。
为了更好地了解分布式架构提供的优势，在深入研究分布式架构（如图7所示）之前，我们将先了解四种最常用的硬件管理架构中的电源管理实现（如图2-5所示）。
基于Control PLD的电源管理架构的比较
在下面的分析中，我们将比较四种常用架构中的每一种如何管理这些电源。（如图2-5所示）。
图例.2：使用控制PLD实现的硬件管理系统，用于执行电源管理和内务管理。
在此架构中，电源管理功能被添加到板载控制PLD中。控制PLD监视输入电源和每个DC-DC转换器的"电源良好"信号（图2）。在控制PLD中实现的时序算法生成"使能"信号序列，这些信号是打开有效载荷电源而不会造成损坏或逻辑错误所必需的。
控制PLD还产生逻辑信号，如复位和电源良好，以确保有效载荷器件可以在上电期间开始运行或在断电期间终止其操作。它还负责生成一个序列，以便在断电期间或当PLD检测到故障时安全地禁用电源。PLD可以轻松支持基于事件的解决方案，这些解决方案对不同的故障组合提供不同的响应。
对于此类设计，控制PLD（通常使用VHDL或Verilog）实现了所有上电排序、保护和控制功能。
优点：
低成本
简单的架构使Control PLD的排序逻辑能够轻松扩展以适应新的应用。
设计可以使用单个设计环境（通常为VERILOG）实现。
基于事件的架构可以灵活地响应各个故障模式。
缺点：
由于每个电源需要两个信号路径，因此更大、更复杂的设计开始受到高控制PLD I/O计数和电路板拥塞的影响。
可靠性降低，因为电源良好故障检测不准确（通常误差为8%至20%），并且无法监控电源电压趋势。
添加遥测数据（监视实际电源电压而不是电源良好信号）需要添加A/D转换器，从而增加了电路板的成本和复杂性。
需要一名板级工程师（具有数字专业知识）来实施，在许多情况下，他不是电源专家。
电源架构2：使用电源管理芯片进行电源管理，并通过Control PLD进行内务管理
图例.3：使用电源管理器IC和控制PLD实现的硬件管理系统
在这种分离功能架构中，电源管理芯片负责监视电路板的DC-DC转换器并对其进行排序（图3）。由于电源监视器直接监控电源电压，因此它还可以执行微调和裕量调节。控制PLD使用电源的电源良好状态线来生成必要的控制、状态和内务管理信号。
对于这些设计，电源管理芯片功能通常使用基于GUI的配置工具进行定义，而Control PLD逻辑则使用VHDL或Verilog进行定义。
优点：
降低控制PLD I/O计数，因为电源管理芯片处理启用功能。
更低的电路板拥塞意味着更简单的布局和更少的电路板层。
通过直接监控电源电压，电源监视器IC可以更准确地了解整体系统运行状况，并实现更高的系统可靠性。
缺点：
电源管理芯片会增加BOM成本，尤其是在设计需要多个器件的情况下。
此体系结构可以提供基于事件的响应，但如果使用多个电源管理芯片，则会增加设计复杂性。
将时序缩放到更复杂的设计可能很困难，尤其是当它涉及跨多个电源管理芯片的分区功能时。
由于设计过程分布在多个工具（GUI + VHDL/Verilog）中，因此可能需要多个工程师并增加设计风险。
电源架构3：通过PMBus使用基于微控制器的控制PLD进行内务管理
图例.4：使用控制PLD和MCU实现的硬件管理系统。
图4所示为一种架构，该架构使用微控制器（MCU）对数字控制负载点（DPOL）电源进行排序。MCU使用电源管理总线（PMBus）管理DPOL，PMBus是一种基于I²C总线的双线通信协议。这使得控制PLD负责支持电路板的内务管理功能，以及控制任何具有模拟控制接口（APOL）的负载点DC-DC转换器。
为了简化软件设计，大多数MCU驱动的电源管理设计都采用基于时间的时序方案。这些方案发出一个固定的禁用信号序列，以便在软件请求正常关断或检测到故障情况时关闭电路板电源。
基于软件的电源管理的另一个潜在缺点是，它对故障条件的响应速度较慢（通常为10-15毫秒，而控制PLD的响应为微秒级）。如果某些故障条件需要更快的响应（或基于事件的排序），设计人员可以使用控制PLD添加第二层保护。
实现基于软件的电源管理需要MCU软件和用VHDL或Verilog编写的控制PLD设计。
优点：
设计易于扩展（仅适用于基于时间的测序）。
丰富的软件开发工具使基于MCU的解决方案更快、更易于调试。
固件更新允许快速修改设计。
更简单的PCB设计 – 减少DPOL周围的布线拥塞
缺点：
更昂贵的物料清单
如果需要基于事件的排序，则难以扩展。
需要多种设计工具（Verilog/VHDL+软件）
APOL和DPOL的混合需要混合控制解决方案，该解决方案有几个缺点：
它不能轻易模拟。
硬件管理功能只能在原型板环境中进行测试。
复杂性会增加系统调试时间。
电源架构4：使用带片上ADC的控制PLD进行电源管理和内务管理
图例.5：使用控制PLD和片上ADC实现的硬件管理系统。
为了克服电源就绪信号不准确的问题，可以使用配备片上数字转换器（ADC）的控制PLD来监控电路板的电源电压。在这种架构中，Control PLD使用片上软/硬处理器内核实现电源管理功能，而硬逻辑实现内务管理功能（图4）。
对于这些类型的设计，设计人员通常使用VHDL/Verilog在软件中开发电源管理功能和其他内务管理功能。
优点：
易于扩展或适应其他设计。
将电源管理和内务管理功能相结合可缩短设计时间。
此体系结构可以为远程系统管理器提供电压遥测。
缺点：
需要具有更高密度和I/O引脚数的更大CPLD。
复杂的CPLD会增加解决方案成本。
将低压模拟遥测路由到单个位置会增加电路板拥塞。
迫使数字工程师同时实现电源管理功能和数字控制功能。
分布式电源管理架构
分布式电源管理架构通过使用低成本模拟检测和控制 （ASC） 电源管理元件，消除了对许多这些权衡的需要。这些器件能够实现完整的硬件管理功能（电源和温度管理，以及控制路径和内务管理功能统称为硬件管理功能）。
莱迪思半导体的L-ASC10是一款硬件管理（电源、散热和控制平面管理）扩展器。它可以与莱迪思低成本MachXO2系列等控制PLD结合使用，在电路板上实现硬件管理功能。图6说明了如何在L-ASC10及其配套MachXO2控制PLD之间划分硬件管理功能。
图6：L-ASC10遥感元件。
每个模拟检测通道都通过两个独立可编程比较器进行监控，以支持高/低和入界/越界（窗口比较）监控功能。ASC和控制PLD之间的通信通过单个3线串行总线（Tx/Rx/Ck）完成。
正如我们将在以下场景中看到的，使用单个串行总线来监视和控制多个电源可以大大减少PLD所需的I/O引脚数量。
电源架构5：电源管理和内务管理由具有L-ASC10（ASC）的控制PLD执行，提供分布式电压检测和控制。
图例.7： – 使用分布式架构实现的硬件管理系统。
在分布式硬件管理架构中，控制PLD使用多个外部ASC器件来监视电源电压。控制PLD还将使能/禁用命令发送到DC-DC电源，并执行其他内务管理功能。
您可以使用GUI工具、VHDL/Verilog 或两者的组合来实现电源管理和内务管理功能。
优点：
常见的3线总线需要最少数量的控制PLD I/O引脚。
简化的PCB走线可最大限度地减少电路板拥塞。
设计人员可以在单个设计环境（GUI或VHDL/Verilog）中实现整个系统
分布式架构具有高度可扩展性。
由于电压、电流和温度监控功能集成在ASC中，因此降低了解决方案成本。
由于电源管理和内务管理功能结合在一起，缩短了设计时间。
使用莱迪思的标准电源调试实用程序大幅缩短电路板调试时间。
随着板级系统复杂性的增加，硬件管理系统已开始消耗不成比例的设计工作量和BOM成本。现在，分布式硬件管理架构可用，该架构通过3线串行链路将控制PLD连接到低成本传感元件。除了降低设计复杂性、电路板空间要求和BOM成本外，这种架构还允许电源和数字技术使用各种工具。
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