基于混合信号可编程系统芯片的智能功率控制系统的设计

基于混合信号可编程系统芯片的智能功率控制系统的设计构建和维护合适的功率环境对系统的正确运行非常关键。对功率的控制和管理越来越受到重视，无论是简单的手持式便携设备，还是多服务器机架系统，都希望能够节省能耗、降低成本。采用现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）的设计可能需要4～5个甚至更多的电源，需要按照预先设定的顺序和电压攀升率完成上电，从而避免诸如闩锁、电涌或I/O竞争等问题。此外，许多应用都要求上电顺序和电压攀升率可调节，以适应不同的应用。利用创新的混合信号可编程系统芯片（PSC）与32位ARMCortex-M1处理器相结合的优势，可以开发出可修改的智能功率控制解决方案，大幅减少部件数目、板卡尺寸和系统成本，同时提高可靠性、灵活性和系统可用性。集成在混合信号PSC中的Cortex-M1处理器除了能够监控总线电压、电机电流和速度外，还能完成诊断任务。智能功率控制智能功率控制涉及如下基本要求：提供系统所需的所有电压；控制每个器件的上电顺序，维持系统的完整性，防止诸如闭锁、电涌或I/O竞争之类的问题；在不需要某些器件时关闭该器件，而在需要时顺畅地开启；在待机状态下维持最低限度的功能运行，以节省功耗，并按照一定的时间间隔或在需要时唤醒系统。在专用标准产品（ASSP）中实现这些功能需要标准的功率供给方案。采用可编程解决方案则能适应多系统要求。可编程解决方案还允许日后对系统升级和细调。目前市场上的许多可编程功率模块都需要与某种形式的处理器共用，获取各电源开关控制的指令。面向智能功率控制的混合信号PSC由于多电源、多I/O组件的应用、I/O标准不断变化，以及调节上电顺序和电压攀升率的需求，板级电源管理变得越来越复杂，因此，设计人员需要灵活且能上电即用的功率管理器件。如图1所示，混合信号PSC具有嵌入式闪存、FPGA架构、四线模拟I/O结构和模数转换器（ADC），可为智能功率控制提供智能化及简捷灵活的解决方案。可编程混合信号PSC，如ActelFusion，能实现上电顺序、实时电压监视、分析和控制。这些功能都集成在单芯片中，减少了部件数目，从而大大降低了材料成本、板卡尺寸和组装成本。该方案仅使用一个器件，所以功耗更低，而且能根据采样电压进行配置，可监视多达30路模拟信号并控制多达10个栅极驱动电路，而这些电路的驱动强度可编程，能够控制多电源系统的上电顺序和电压攀升率。混合信号PSC还能通过监视器定时器或外部触发器完成系统唤醒操作，可关闭除某一器件外的整个系统。某些混合信号PSC还具有管理智能电池充电的能力，这是提升系统功率控制的另一种智能方式。MicroTCA的智能功率控制实例由于这些解决方案能使系统管理和智能功率管理应用的集成度提高至前所未有的水平，因此，单芯片PSC能够减少典型MicroTCA电源模块的材料清单成本，在某些情况下能够减少超过50%。与速度慢及基于软件的微控制器解决方案不同，混合信号PSC用FPGA逻辑门实现了内部电压监控和切换功能，如图2所示，因而能达到MicroTCA标准规定的100μs开关速度指标。如图3所示，在高级夹层卡（AMC）示例中，采用单芯片实现系统管理和智能功率控制的高级夹层卡部件数减少，其好处是比采用微控制器和许多分立元件实现的典型高级夹层卡性能更高、功能更丰富。客户可以使用混合信号PSC来集成有效载荷和管理功能，以实现更高的部件集成度并降低成本。此外，一些混合信号PSC器件还具有电信服务供应商通常都需要的系统内变更和升级功能。此外，如Cortex-M1等IP核可以支持MicroTCA处理，通过IPMI接口实现基板和网络管理及卫星控制，这些IP核也可用于机架管理及载板管理IPM-C接口。总结智能功率控制的设计可发挥创新的混合信号PSC和集成于其