【導讀】系統設計師面對邏輯器件的多元化及苛刻的電源要求，要想設計出滿足電源需求的電源系統也變得越發艱難。那有什么好的方法來圓滿解決這種問題呢？當然！本文就論述了可編程電源系統的優勢和收益，并且討論了眾多降低系統設計風險的方法。
由于當前復雜邏輯器件的多元化及不斷變化的電源要求，對于系統設計師來說，開發能夠滿足系統電源需求的電源系統也變得越發艱難。開發期間及開發之后，與電源電壓的調整需求相比，固定電壓電源系統的靈活性差，這會增大設計風險，導致設計項目延遲甚至被取消。而可編程電源系統能夠滿足這種靈活性的需求，從而圓滿地解決這一問題。本文論述了可編程電源系統的優勢和收益，并且討論了眾多降低系統設計風險的方法。
多年前，系統設計師在設計系統電源時相對容易一些。邏輯運行需要5V電源，硬盤和軟盤驅動器需要 12V電源；系統其他器件采用雙電源電壓來運行，或者可以添加一個負電壓電源。指定三種電源。易用性。
如今的復雜邏輯器件（FPGA、ASIC、SoC、ASSP等）有著更為復雜的電源要求。系統中一個芯片便有可能需要三種或四種電源電壓。更糟糕的是，多個電源電壓的啟動順序和定時對系統初始化起著至關重要的作用。斷電操作期間切斷電壓的順序對芯片的正常停機同樣重要，并且還能夠極為有效地防止電源對IC造成的損壞。復位線或者多個復位線與電源電壓之間的定時關系也同樣相當重要。
此外，電源系統必須與當前的許多復雜系統實時交互，并且必須能夠根據快速波動線和加載要求來實現實時重新配置。簡而言之，與從前相比，當今復雜數字系統的電源系統設計有著更為深遠的考量，它促進了電源管理系統的發展，與圖1所示一樣，這是為了滿足當今越來越復雜的系統設計需求。然而，與以往相比，系統設計師卻較少考慮到這些問題，這是由于他們更加關注極復雜邏輯系統的工作性能，以及大量相關固件是否能夠與硬件設計充分集成。
圖1，合并有電源管理系統的系統設計簡化框圖。
電源問題以及系統設計師的設計風險
系統設計師需要定制電源以便處理當今 FPGA、介質處理器、ASIC、SoC和 ASSP 的電源需求。在未來，這一趨勢必然仍將持續，但是有許多設計師缺乏設計高效率開關電源所需的技能，也沒有時間去學習如何使用多個必要的傳統電源管理控制芯片來創建多電壓電源； 同時還缺乏進行復雜計算的愿望，以及缺乏學習如何選擇不熟悉的電源元件如電源 FET和電源電感器的愿望。簡而言之，系統設計師在開發日益復雜的電源系統方面所花費的時間越來越少。正由于所花的時間不夠，大大提高了設計電源時的風險，導致電源不滿足要求，需要返工，因而延誤了產品的推出。
此外，系統設計師需要降低由于元件置換導致的設計要求變更風險、降低由芯片電源規范更改而產生的設計風險，或者減少在整個電源電壓調整期間對芯片性能進行微調的需求，所有上述風險系數都可通過利用可編程電源來緩和。可編程電源可以根據當前系統元件不斷變化的要求，或者根據由于元件置換或系統擴充而產生的新要求來調整。有一種極為有效的方法可以處理生產，下線前及生產，下線后的元件變化。
因此，系統設計師需要找到能夠快便捷地開發靈活插件板電源系統的新方法，該電源系統需能夠實現運行時的電源電壓重新編程，以處理未來在面對系統電源要求時的諸多未知難題。這種靈活且易于設計配置的電源系統可降低系統設計風險。同樣重要的是：這些可編程電源系統極大地增強了設計靈活性，從而降低了系統設計風險，卻不會提高電源成本。
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電源發展趨勢
隨著當前系統復雜性越來越高，其對電源的要求也不斷增長，電源系統需要擁有比以往更高的能力應對當前的復雜系統。除了需要更多樣的電源電壓、電源、復位順序以及偏移不靈敏性之外，當前的系統設計還需要對電源電壓進行更為精密的可編程控制，如 FPGA、介質處理器、SoC和 ASSP等高級芯片足以充分證明此點，這些芯片是當前系統的核心所在。例如，最高級的 FPGA 需要三種或四種電源電壓。
表1顯示了連續幾代 Xilinx Virtex和 Spartan FPGA所需的電源電壓。需注意的是，有些 FPGA需要兩種電源電壓，有些需要三種，全部三種電源電壓都可以假定每一代的電壓值均不相同，這取決于系統設計。
表1，Xilinx FPGA系列和各代產品的電源電壓。
其他 FPGA廠商（包括 Altera和 Lattice）對于電源的要求也呈現出相似性。表2顯示了 Altera的 FPGA產品系列擁有相似的電源電壓信息。
表2，Altera FPGA系列和各代產品的電源電壓。
表1和表2中所列的信息顯示了多種 FPGA電源電壓隨幾代元件的演變方式，因此與電源系統的討論息息相關。系統設計有可能需要適應不同年代的FPGA或者采用不同核心電壓的不同產品系列的 FPGA。此外，這些相同的系統設計也有可能需要根據系統設計中的其他芯片而滿足不同的 I/O電壓要求。
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需注意的是，表1并未對 FPGA對電源系統所提出的要求做詳細說明。所有 FPGA廠商均規定了確保 FPGA正常運行所需的每一電源電壓的最小及最大必要勻變時間（單位：微秒至毫秒）。在創建電源系統時，這是系統設計師必須考慮的另一個因素。勻變時間不可過快或過慢。
對介質處理器、SoC、ASSP和 ASIC的電源電壓有著類似的限制。由于對電源沒有標準規范，因此 IC設計小組可自由選擇完成設計所需的任何電源啟動方案。滿足不斷變化的電源電壓要求是他人的問題，而不由 IC設計小組負責。其他人通常指系統設計師。系統設計師負責滿足芯片的一切電壓和排序要求。當一個系統設計中有多個復雜芯片時，電源的復雜性便會翻倍。如需進一步提高復雜性，可以將一個芯片的排序要求修訂為下一個序列，這樣便會需要更為準確的器件特性或者會導致設計變更。此時仍然由系統設計師負責滿足這些需求，無論這些需求是什么，也無論這些需求如何變化。
鑒于這些原因，從根本上逐步提高系統復雜性以及系統中所用芯片的復雜性時，需要將電源系統的能力改進數倍，這就要求電源提供勻變倍數，并且精確控制各種電源軌之間的定時關系。若欲實現電源系統的上述高級能力，通過采用早期電源管理設計方法成本巨大或者根本無法實現。
系統設計師電源簡史
在查看創建可編程電源系統的潛在設計方法之前，我們來簡要回顧一下早期的方法，以便理解如今的系統設計為什么有著更多需求。插件板上或負載點（POL）電源系統基于現有的開關模式 PWM電源控制器和簡單電源管理芯片。早期的開關模式電源控制器采用易于理解的模擬 PID回路（比例，積分，微分回路）算法來調節電壓。這種設計表現良好但卻存在必須解決的設計問題。
首先，這種控制器對外部元件隨時間和溫度的偏移非常敏感。這種偏移不會影響調節精度，因此根本不會影響電源控制器的調節能力。所有調節能力的潛在損失只與回路穩定性有關。如果精心設計的補償回路中的控制器元件與設計規范的偏移足夠大，則控制回路會變得不穩定，并且控制器也根本不再進行調節。對這一問題的解決方案是購買對偏移敏感度較低的更昂貴外部元件，對于對成本較為敏感的設計來說，這一替代方式通常不建議采納。那么當前，哪些設計對成本不敏感呢？
第二個問題是系統兼容性。如之前所討論的那樣，有幾個與系統有關的問題，包括電源排序、各種插件板上電源和復位信號或多個信號間的定時關系、對一個或多個插件板上電源進線微調以實現系統正常操作的可能性。所有這些問題都需要超越單一的 PWM控制器芯片能力。
因此，IC廠商創造了能夠充當“數字包封”的電源管理芯片。這些芯片可控制多個模擬 PWM控制器的加電排序，可針對電源系統的設計來產生一個多芯片解決方案。盡管這一方法最初可以估算電源電壓排序和復位定時所需的靈活性類型，但由于電壓被與PWM控制器芯片有關的外部元件所固定，因此不能滿足用來調整系統電源電壓的各種生產前及生產后的需求。此外，向包含多個 PWM控制器芯片的設計中添加電源管理芯片還會增添另一個芯片，這會提升成本、增大設計復雜性并且耗費額外的面板空間。在看重設計空間尺寸的芯片中，這種電源系統設計解決方案會降低精密度。
現在我們需要什么？
我們現在需要的是一個可編程電源或者系統（PPS），它應該能夠提供多種精細可編程電源電壓，并且在各個電源電壓之間提供可獨立調整的斜升和斜降時間以及可調的排序延時。這種電源系統設計為系統設計師提供了必要的設計靈活性。該系統如今未得到廣泛應用的原因是其昂貴的價格。這種昂貴指的并不是基礎技術本身，而是由于電源 IC廠商以前未曾針對設計問題采用充分的硅集成等級。但是，這種狀況注定會發生變化，而且這種變化已見端倪。
正如 FPGA可以方便地針對新系統需求或者不斷變化的系統需求為系統設計師提供靈活的可編程序邏輯結構一樣， PPS也能夠為系統設計提供一種可編程電源系統，以便匹配系統電源的所有變化或者新的要求。現場可編程性為這兩種情況賦予了極大的靈活性。對于 PPS來說，由于需要將硅集成從原有的 PWM技術完全轉換為數字控制電源系統，因此靈活性的增強是免費的。因此，系統設計師能夠顯著增強電源系統的特征而不會增加成本。
與以前開發數個固定穩壓器的方法相比，可編程電源系統能夠更加緊密地匹配當前復雜系統的需求。與過去相比，由于復雜 IC的電源電壓達到了前所未有的穩定性，因此如今的系統設計師對靈活性的要求更高。從前制作的 FPGA、微型控制器、SoC和 ASIC擁有穩定的電源電壓規格，但是新零件，特別是仍處于α或β采樣階段的新零件，在下一次修訂時就有可能提出不同的要求。只有可編程電源系統能夠滿足這種情況下所需的靈活性。
此外，有可能需要由可編程電源系統通過調節元件的工作電壓來調整各種系統元件的運行速度。當工作電壓處于 1V時，對電源電壓進行“微調”會變得越來越普遍。
但即便在這種靈活性下，PPS的設計仍然比傳統開關電源的設計更加簡便。PPS器件采用基于軟件的設計工具來支持，這樣能夠更加簡便地確定所需的電源電壓并且從設計工具中獲取所需的材料表（BOM）。此外，由于電源系統可編程，因此可以在電壓范圍內調整電源系統的輸出，只需改動 PPS控制器的編程即可。對于某些 PPS控制器芯片來說，在系統操作期間，串行端口能夠讓插件板上的微型控制器來調整電源電壓。
PPS控制器還能夠為系統設計師帶來另一個實質性的設計優勢：只需了解一個器件，便可掌握21世紀系統所需的所有電源電壓范圍。了解一個器件以及與該器件有關的一個軟件設計工具便能夠讓系統設計師掌握所有電源要求-初始要求、開發要求以及操作要求-這樣能夠簡化產品電源系統的設計。
為可編程電源控制器芯片提供 17種降低風險的方式
當系統設計師在其設計中采用了各種不同的復雜邏輯器件時，PPS控制器 IC能夠讓他們以更為簡便的方式滿足電源需求。PPS控制器至少有 17種可以降低風險的具體方式：
（1）一個 PPS控制器 IC可替換多個電源管理控制器，并且相關的系統設計有一個由集成電源系統管理器控制的可配置 PPS設計，這簡化了插件板上的電源管理以及負載點的電源電壓調節，同時提高了整個可編程性范圍內的電源可控性，以相同或者更低的BOM成本實現了更高的能力和更大的靈活性。
（2）PPS控制器 IC能夠顯著降低系統電源的元件數量，同時極大地擴展可控性。與基于模擬 PWM控制器的電源管理芯片相比，它能夠將設計電源時的插件板上無源器件數量減少至少 50%，甚至達80%，同時無需獨立排序和電源管理IC。
（3）基于 PPS控制器 IC的設計可降低整個 FET驅動器和系統管理集成的板面空間，并減少無源元件的數量。
（4）PPS控制器 IC的電源設計自適應方式使得可編程電源基本上不受無源元件隨時間和溫度偏移的干擾，這樣就降低了電源設計對無源元件容差的敏感性，降低或者消除了組合面板的拷機需求。
（5）PPS 控制器 IC的自動設計軟件能夠讓系統設計師利用簡單而熟悉的基于 GUI的設計工具來快速設計完整功能的電源，而無需花費時間去學習錯綜復雜的數字PWM控制或電源管理，也無需進行復雜卻易于出錯的元件值計算（盡管工具能夠讓設計師隨心所欲地進行眾多的詳細設計）。自動工具會即時創建 BOM。
（6）PPS控制器 IC的高集成度能夠讓設計師采用與FPGA相似的方式增添簡單參數編程并重新配置所需的更為復雜的電源性能（電源排序、延時、勻變、電流限制以及電源電壓調整），而無需更改電源的硬件設計。
(7)PPS控制器 IC中的獨立可編程軟啟動和軟停機電源參數降低了關鍵系統元件的開通/關斷應力。例如，當系統經由低等效串聯電阻（ESR）啟動時，不帶電的電源濾波器電容器會消耗數百安培的電流。軟啟動電源會限制這些電流浪涌并且降低電纜、連接器和電容器本身承受的高電流應力。軟關機能力可確保系統斷路時，這些電容器充分放電。
(8)在整個編程過程中，PPS控制器 IC的可編程再配置性能夠將最終的規范轉換為新型的復雜系統元件（FPGA、微型控制器、針對應用程序的處理器）的電源要求，而無需對最終的面板等級、硬件設計進行改動。
(9)在整個器件的重新編程過程中，PPS控制器 IC的可編程再配置性能夠實現復雜系統元件（FPGA、微型控制器、針對應用裝置改編程序的處理器）的獨特而復雜的加電和斷電排序要求，而無需重新設計復雜的面板等級。
(10)PPS控制器 IC的可編程再配置性可以方便地滿足不斷變化的核心電源要求-例如有可能需要將FPGA更改為下一代 -只需進行簡單的配置編程變更，而無需進行面板級設計更改或元件級BOM修正。
（11）PPS控制器 IC的可編程再配置性只需進行簡單的編程更改，便可方便地更改 I/O電源要求（例如有可能需要從 DDR更改為DDR2、低電源/低電壓DDR2或DDR3 SDRAM）。
（12）PPS控制器 IC配置參數的直接數字控制能夠讓系統主機、主電源或者輔助處理器來優化主系統元件的運行速度，只需稍稍改變系統中多個復雜邏輯器件的核心電源電壓即可。
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（13）PPS控制器 IC的直接數字控制能夠讓系統主機、主電源或者輔助處理器管理工作電源級別以及由可編程斷電空轉系統元件或者系統的整個扇區所產生的熱量。
（14）PPS控制器 IC的直接數字控制通過對受影響的系統電源進行排序，或者切斷失效且不重要的系統，從而讓系統主機、主電源或者輔助處理器自動管理插件板上與電源有關的假信號或者故障。
（15）PPS控制器 IC的直接數字控制提供了一條通信路徑，能夠遠程修正或者更新所有電源電壓和加電/斷電順序，在系統就位后不會出現召回產品、服務請求或者上門服務，這降低了系統的TCO（總擁有成本）。
（16）由于對關鍵系統元件進行了微縮或者更新為下一代版本，因此可編程再配置性能夠輕松地滿足電源要求的變化。
（17）可編程再配置性可輕松地滿足由于海量外圍存儲器和數字 LCD、LED或等離子顯示板等外接器件不斷變化的接口信號標準而導致的系統電源要求的變化。
PPS控制器 IC中實現的具體功能：
為了確保您能夠選擇一款具有低風險降低優勢的 PPS控制器 IC，可參照下列具體的特征：
（1）充足數量的頻道通道，以滿足系統需求，以便 PPS控制器 IC能夠完成整個工作；
（2）每個通道電壓輸出和過電流設置值均可編程；
（3）每個通道停機能力可編程，以執行各種節電方案；
（4）即便系統關機或者處于休眠模式，仍保持需要接收電源的系統區段的線性穩壓器帶電；
（5）直觀易用的設計和配置軟件；
（6）對元件隨時間和溫度出現的偏移不敏感；
（7）采用芯片內 PROM的內置自動自配置；
（8）對關鍵參數的簡單數字化外部控制，從通道電源電壓開始；
（9）可方便地通過外部主機處理器讀取控制器狀態；
（10）完全集成的過電壓保護、欠電壓閉鎖和過電流保護；
（11）自動電壓饋送勻變定時和排序；
（12）可編程復位定時，電源良好，啟用門控和延時。
恰如其分的 PPS控制器 IC
圖2所示為 PPS控制器 IC的簡化框圖，它擁有所有優點并且滿足上述所有準則。圖形所示為 Exar XRP7714和 XRP7740、兩針兼容 PPS控制器 IC的方框圖。
圖2， XRP7714/7740 PPS控制器方框圖
XRP7714和 XRP7740 PPS控制器 IC結合了執行5輸出 PPS所需的所有功能。芯片含四個可編程開關電壓控制器以及集成的 FET驅動器，可驅動大電源和小電源 MOSFET，以每通道2A~20A的電流生成開關電源，XRP7740擁有更大電源的門驅動器。大電源MOSFET和幾個額外的無源器件便是在四種不同的可編程電源電壓下執行四個高電流開關電源操作所需的一切。XRP7714和 XRP7740也包含了一個可配置的線性100mA低壓差線性（LDO）穩壓器，可提供第五種系統電源電壓（3.3或5V）。可使用可配置LDO穩壓器作為必須保持加電的系統元件的保持電源，系統其余部分斷電。
除了可編程電源電壓之外，XRP7714和XRP7740還可以控制電壓供給的加電和斷電特征。它可獨立控制四個電壓通道中每一個通道的勻變速度，并且可以控制電源電壓之間的相對定時。最后一個特征能夠讓系統設計師依照FPGA、介質處理器、ASIC、SoC和ASSP等眾多復雜邏輯IC的要求創建更高級的電源電壓。
XRP7714和XRP7740也合并有多個系統管理功能，這些功能與電源有關，包括欠電壓和電源良好監控、超溫運行及故障處理。所有系統監視器均可配置，并且可以經由芯片的 I2C接口，由主機處理器對其狀態進行查詢。
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兩個器件的配置在一個名為 PowerArchitectTM的基于 PC的軟件程序中進行。圖3所示為 PowerArchitectTM監視屏的屏幕抓圖。該屏幕抓圖顯示了四個高電流開關輸出以及電流限制和勻變定時參數的輸出電壓設置值（可依照輸出電壓配置為 50mV或 100mV）。
圖3，針對 XRP7714配置的 PowerArchitectTM屏幕截圖。
輸入到 PowerArchitectTM中的配置數據起兩個重要作用。首先，它驅動嵌入到Digital Power Studio中的自動 BOM生成器來創建制造PPS所需的完整元件清單，該清單包括部件號和廠商建議。其次，配置參數確定了 XRP7714和 XRP7740中配置寄存器中的配置設定值。可經由芯片的 I2C輸入，從芯片內 PROM或者從外部信源對這些配置寄存器進行初始化。
結論
Exar的可編程 XRP7714和 XRP7740 PPS控制器 IC構成了 PPS的核心，它可以處理系統電源電壓所造成的眾多不確定性，而無需對硬件設計進行后期修正。還可以有效地處理在產品制造出廠后突然出現的眾多與電源相關的問題，只需下載代碼即可。采用 PPS控制器 IC來創建可編程電源的優勢類似于在現場采用系統電源而不是邏輯對處理器固件進行升級。這些優勢有助于在未來對系統設計進行升級。Exar的 PowerXR產品系列包括 XRP7714、XRP7740和XRP7724，使得 PPS的設計方便、簡單、快捷、靈活。
