由於應用與設計漸趨多元，今日印刷電路板(PCB)正變得越來越複雜，電路板上有許多須要複雜互連的超大型積體電路(IC)元件。因為這些超大型IC元件由非常小的電晶體所組成，它們需要幾個供電電壓，為元件的不同部分供電，如核心電壓、輸入輸出(I/O)電壓和輔助電壓。而超大型IC元件如微處理器、數位訊號處理器(DSP)和現場可編程邏輯閘陣列(FPGA)等，在可靠的通電和斷電期間也需要電源定序。此外，這些元件對電源更具有嚴格的容差，通常為額定電源電壓的±5%。
電壓/電源需求愈趨複雜
為了提升電路板的功能，許多通訊和處理功能經常被添加到單一的元件之中。但取決於製程的不同，這些複雜的元件常需要從0.9～1.2伏特不等的核心電壓。此外，這些元件必須與其他運行於各種電壓的元件進行通訊，如電壓為3.3伏特的元件。因此，針對部分I/O接腳，該元件將需要一個3.3伏特的電壓。而正因為這些元件通常須要使用不同的I/O標準，如DDR2(1.8伏特)或DDR3(1.5伏特)，且這些標準還需要終端電壓，這通常是電源電壓的一半。因此如果低壓差分訊號(LVDS)是用於高速介面，將需要額外的2.5伏特電壓。超高速的介面如串列解串列器(SERDES)，將需要額外的1.2伏特電壓。通常電路板上每一個複雜的元件須有自己的核心電壓，以滿足其動態功耗的要求。除了把與電源要求相關的若干不同的電壓整合在電路板上，還需要對這些電壓進行仔細地監測，以確保它們運行在這些複雜元件的容差範圍之內。
電源管理方法追求高度彈性
電源監測的方法曾經用於複雜可編程邏輯元件(PLD)，它監測來自電壓轉換器的獨立電源良好訊號。當元件的電壓不精確時，這種方法是可以接受的。然而對於現代元件，這不是一個令人滿意的解決辦法。由於電源良好訊號通常具有±10～20%的電壓視窗，複雜可編程邏輯元件將無法確定±5%的電壓波動，這可能導致系統故障。一個更好的辦法是使用電壓監控元件，直接監測電源電壓，當電壓不在規定的容差範圍之內時，建立一個出錯標誌。典型的電壓監控元件是由生產廠商設置一個電壓和容差。當然，如果要對幾個電壓進行監測，需要多個監控元件。
這些元件的輸出訊號常被用來對中央處理器(CPU)或特定應用積體電路(ASIC)產生一個重定訊號。電源穩定之後，或在一段時間後(通常超過100毫秒)，這些重定訊號立即停止。
復位產生器往往伴隨著一個看門狗(Watchdog)計時器。這些元件監測處理器的運行狀態。在這種情況下，處理器將定期發出觸發脈衝(預先確定的時間窗)，表明軟體正在正常工作。如果出現錯誤，處理器跳出了其正常的處理迴圈，看門狗計時器將產生一個中斷訊號至處理器，或在某些情況下，啟動重定訊號至處理器。
這將使處理器進入一個預定的狀態。因此，系統勢必需要幾個專門的元件來執行特定的電源管理功能。這些元件使用簡單，對產品的規格或指標沒有重大的變化。然而，上述元件卻可能不太靈活，無法適應以後對設計的任何更改。
可編程元件具高度彈性化優勢
目前已問世的高度靈活電源管理解決方案(圖1)允許設計人員使用免費的設計軟體對元件進行設計，有助於工程師滿足指定的電源定序和監測的要求。這些元件擁有多個電壓監控輸入端，每個模擬輸入都可以進行調整，以監測從0.66～5.7伏特的過電壓和欠電壓的情況。因此，開發工程師可以完全控制不同電壓調節的要求。監測精度為0.2%(典型值)。至此，能夠可靠地監測故障的範圍為±3～5%，也可避免由供電故障引起的功能性故障。如果須要監測較高的電壓(>5.7伏特)，則可使用電阻網路將這些電壓降至所需的電平。
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| 圖1 電源管理結構 |
複雜的PCB不僅經常要求檢查電壓，而且還要定期記錄，並用於日後的分析。這樣的行為有助於預測潛在的電壓故障，或能夠更加快速鑑定和分析故障。前述的高度靈活電源管理解決方案整合了10位元的類比數位轉換器(ADC)，以便可以使用一個處理器通過一個I2C介面來測量電源電壓。
直流對直流(DC-DC)轉換器的輸出電壓通常以連接到彼此的微調輸入電阻網路來設置。然而，在低電壓和大電流的情況下，將難以滿足容差的要求。此外，這些電源通常也應支持裕度，自然成為另一挑戰。高度靈活電源管理解決方案可以通過一個數位類比轉換器控制DC-DC轉換器的微調輸入。數位類比轉換器也可以通過I2C介面進行調整，以滿足裕度的要求。在此數位類比轉換器中，閉環控制不斷地測量DC-DC轉換器的輸出電壓，並與內部設置的電平相比，當檢測到有任何偏差時，將改變數模轉換器的電壓，使其回到設定的電平。而在超過溫度和負載條件的情況下，也能保持DC-DC輸出電壓恆定而毋需外部元件。所有其他要求的數位控制功能，如定序、復位產生和看門狗計時器，也可較易地在電源管理解決方案元件的內部可編程元件部分中實施。
如果需要在電路板上用開關一個N通道金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)來進行電源電壓的控制，前文提及的電源管理解決方案也可以直接驅動N通道MOSFET的閘極。閘極驅動輸出可提供高達10伏特的輸出電壓。利用這一點，高達3.3伏特的電壓可通過N通道MOSFET實施開關。也可以改變閘極的驅動電流來控制N通道MOSFET的開/關斜率。
新型電源管理元件有助監測
而應用於高度彈性化電源管理解決方案的新元件亦已問世。該類元件針對微處理器進行優化，並進行預編程，因此元件可用於電路而毋需額外編程。有了這類元件，將可輕易實現電路監測。
對於複雜的系統，可編程電源管理元件通常被用來實現監測和電源定序。然而，在規模較小的、較簡單的系統中，基於節省成本之考量，往往使用離散的和單一功能的元件。新的元件改變了這種狀況，其不但整合了電源管理功能，成本亦小於多個單一功能電源管理元件的總成本。在減少系統中元件數量和複雜互聯的前提下，從而提高可靠性，並降低整個電路板的成本。
(本文作者為萊迪思地區技術經理)