数字电源排序设计选择如何影响设计过程后期的灵活性

电源排序是数字电源架构的关键组件。在这篇文章中，我们将介绍几种构建排序的方法及其后果。特别是，我们将看到设计选择如何影响设计过程后期的灵活性。

电源转换的构建模块

让我们来看看我们的电源构建块和工具，看看我们可以为自己制造什么样的麻烦。为了简单起见，让我们假设我们有一个通用电源模块（UPB），以及所有常见的罪魁祸首，如FPGA和微控制器以及逻辑。我们的UPB有一个简单的界面：

图1.电源块

我们简单的电源转换器具有单V在/V外、一个 PMBus 接口、一个输入信号：控制，以及两个输出信号：电源良好和故障/。

控制

控制信号打开和关闭输出。它是高电平有效，具有内部上拉。

电源良好

当输出通电时，电源良好信号为高电平，并且在有效范围内。

故障/

FAULT/信号为低电平有效，漏极开路，并在电源模块发生故障时置位。如果存在故障，则断言 ALERT/，并且可以通过 PMBus 读取故障。并非所有电源转换器都会同时具有电源良好和故障/，我们不需要两者。在几乎所有情况下，FAULT/都可以成为POWER GOOD的特技替身。

设计一

现在让我们构建一些东西，这样我们就可以拆除它并构建另一个，每次都变得更好。

假设我们有一个带有中间总线控制器 （IBC） 和以下导轨的系统：

785

295

5.0V

3.3V

1.2V

0.8V

我们决定将轨道构建为层次结构。但是，我们需要不同的上电控制结构。

图2.简单的电源结构

不要担心权力层次结构是否正确，或者逻辑对于任何实际设计是否正确。重要的是这种“类型”结构的影响。让我们考虑一下这样做的利弊。

在专业方面，这很简单，无论是在概念上还是在实现上。使用 FPGA 或 uP 的 GPIO 添加 LED 指示灯或读取电源良好非常容易。如果出现问题，电源良好会让系统知道轨道出现故障。

在缺点方面，如果发生故障，并且系统必须关闭所有电源，则别无选择，只能按照上电的顺序关闭它们。这意味着大多数下游电源轨将因断电而不是控制引脚而断电。

没有时序控制，因此必须添加额外的电路以在电源轨之间产生延迟。如果在电源轨之间添加了延迟，则该延迟仅适用于通电，因为在断电时，馈线导轨上的断电将在 POWER GOOD 将其断开之前将其从属电源轨断开。

如果你对这种“类型”的结构犯了任何错误， PCB将需要重新布局， 当你在等待的时候， 你别无选择，只能在你的设计上破解电线， 或者去喝一个很长的咖啡休息时间.

设计二

如果我们集中逻辑，我们可以做得更好。可编程器件（如FPGA或uP）可以管理所有逻辑。

带控制器的电源结构

由于所有逻辑线都路由到 GPIO，控制器可以完全控制排序顺序（打开和关闭），并完全控制时序。只要愿意更改Verilog或C代码，就可以更改它。我已经在控制器上指示了 PMBus，但没有绘制所有连接，但使用 PMBus，控制器现在还可以控制电平和故障行为。

在专业方面，这种设计很灵活，你不会被困住。如果在控制结构中出错，可以在不重新布局的情况下修复它。

在缺点方面，您必须更改Verilog或C，并可能重新测试和重新鉴定固件。这种设计还需要大量的路由。每个 POL 需要 5 条控制线，它们分别路由到控制器。假设我们有一个 20 个轨道系统，考虑到 PMBus，它需要 42 个 GPIO 引脚。

所以这种设计是灵活的，但需要大量的GPIO和大量的PCB空间。

设计三

当与 PMBus 和智能数字电源 POL 结合使用时，我们可以通过使用开漏控制的特性来简化控制器。

简化的控制器

所有控制引脚都连接在一起，所有故障/引脚连接在一起。这意味着一个 20 个轨道系统只需要 5 个连接。IO 引脚数量减少了 8 倍。

让我们看看这是如何工作的。控制引脚为高电平有效。它由 GPIO0 控制，GPIO0 设置为“漏极开路”。由于控制引脚为漏极开路，这意味着POL也可以将其拉低。

当POL复位时，它将控制引脚拉低，直到它准备好响应外部信号。这意味着，如果控制器速度太快，则在全部正确复位之前，所有 POL 都不会打开，最慢的 POL 复位确定系统何时通电。如果控制器速度较慢，则在释放控制线时控制电源启动。

您可能想知道排序。我们是否失去了对它的控制？否，因为 PMBus 具有TON_DELAY命令，其值通常存储在 POL 的 NVM 中。它可以由控制器设置，也可以使用外部工具存储在 NVM 中。

故障/引脚也是漏极开路，由GPIO1控制，它们既是输入又是输出。这意味着当任何电源轨发生故障时，当FAULT引脚被拉低时，所有电源轨都会得到通知。此外，当故障/被拉低时，警报/断言。因此，控制器知道存在故障。每个人都知道，这是这个设计的关键。

现在，您可以选择几个有关故障处理的选项。PMBus 可以使用警报响应地址 （ARA） 响应 ALERT/，该地址获取具有故障的所有 POL 的地址，然后查询每个 POL 以获取故障信息。然后，它可以使用决策树，并根据需要以任何顺序关闭轨道。或者它可以一次关闭所有电源轨，让PMBus TOFF_DELAY管理时序。

许多POL具有增强的故障管理功能，可以直接响应故障（请记住，FAULT/也是一个输入）。典型的响应是：

重试

立即关闭

斜坡关闭

当POL具有这些高级功能时，它减轻了Verilog或C代码的负担，因为POL可以使用外部工具（通过PMBus和外部接口和软件）进行编程。此外，当使用FAULT/引脚时，对故障的响应比处理ALERT/的响应要快得多。

设计三的权衡

如果您有增强的 POL，则可以进行权衡。如果故障逻辑对于共享故障/线路来说太复杂，只需添加一个控制器。如果故障逻辑很简单，则可以使用工具配置故障行为，而无需控制器。或者，您可以使用控制器进行遥测和其他功能，但使用 FAULT/ 引脚进行故障处理，如果您发现它无法处理所有情况，您可以随时添加用于故障处理的代码并进行更改。

控制引脚也有类似的权衡。您也可以使用 PMBus 来代替它。在这种情况下，CONTROL引脚仍会保持导通状态，直到所有POL完成复位。

当控制引脚和故障引脚共享时，最大的灵活性，并且PMBus有一个控制器。通过这种设计， PCB制造后具有完全的灵活性.

电源良好

如果你没有注意到，我没有使用电源好。在打开另一个轨道之前，您不需要知道一条轨道何时良好。如果一个轨道都由TON_DELAY控制，而a没有及时准备好，就会出现故障。PMBus 定义了TON_MAX_FAULT_LIMIT，它定义了钢轨必须爬坡并在公差范围内的时间。如果此时某个导轨不在规格范围内，则会发生故障，这将阻止其他导轨打开。

设计原则是：没有消息就是好消息。如果系统需要知道所有电源轨何时启动，您只需要一个简单的计时器，设置为所有TON_DELAYs定义的最长时间。或者，控制器可以对最后一个 POL 的状态等进行 PMBus 查询。

在某些器件中，故障/引脚可以重新配置为电源良好引脚。这允许您在确实需要时拥有电源良好，但故障共享引脚丢失。因此，您可能需要控制器来响应警报/。或者在更简单的系统中，ALERT/可以抓住控制引脚并在出现故障时关闭所有电源轨。

在实践中，电源良好通常不是必需的。但是，如果您真的想要一个，您通常可以重新配置 FAULT/。毕竟，总有特殊情况。也许总有空间容纳“通用适配器套件”。

审核编辑：郭婷