智能化數字功率管理(IDPM)輕松實現功率管理

摘要:當今的功率管理必須具有高水平的系統功率控制能力，同時盡可能地減小對功耗和板上占位空間的影響。而利用擁有低功耗、可配置的單芯片設計智能化數字功率管理(IDpM)解決方案，就可提供高水平的功率管理。IDPM解決方案非常適合于電信線路卡應用，以及工業、消費和航天應用。

關鍵詞:功率管理;智能化;低功耗;混合信號FPGA;功率參數復用

Actel(愛特)的IDPM解決方案在單芯片內整合了32位ARM Cortex-M1微處理器、閃存、SRAM、模擬功能、振蕩器、多項外設，以及大量的用戶邏輯空間。該平臺為模塊化可擴展架構，包含一個很容易擴展的基本解決方案，能夠控制多達32個數字負載點電源。Actel的FPGA工具套件可使軟硬件的修改變得十分簡單，從而加快集成速度，縮短上市時間。

可復用的集成式解決方案

功率管理解決方案必須功能強大、結構緊湊，并易于復用。Actel的IDPM設計解決方案以單芯片的形式提供功能齊全的功率管理器，很容易通過修改來支持各種不同的板上功率要求。由于該設計執行數字負載點電源，并使用Fusion FPGA的嵌入式閃存，故只需極小的工程工作量就可以被復用。新的設計只需在基本功率管理器設計中增加所需的DPOL，并在Fusion FPGA內部的快閃資源中創建并存儲設計專用的功率參數即可。

圖1所示為一個典型的IDPM系統。該系統包含了一個帶有多達32個DPOL，并連接標準SMBus的ActelFusion FPGA。

這種FPGA的一個實例是帶有一組支持外設(與ARM本地總線連接)的基于ARM Cortex-M1的微處理器。FPGA中的1MB閃存可用于ARM程序代碼和設計專用功率參數的非易失性存儲。設計專用參數是板上功率設計的獨有特性，其中包含DPOL器件數目、DPOL SMBus地址、DPOL配置數據、序列信息及其它設計專用數據。執行命令后，ARM處理器便會啟動、讀取設計專用參數，并通過SMBus對POL器件進行排序。只要板卡上電，IDPM就會監控所有的電源軌，報告/記錄任何異常情況，執行綠色政策，并響應功率系統控制和系統微處理器的狀態查詢。

在這種架構中，子卡支持十分簡單。可以通過把SMBus路由到子卡，使子卡成為基卡設計的擴展卡。另外，可通過將基卡功率管理器的簡化版以實例化方式加載到小尺寸Fusion器件中，以實現獨立式的子卡架構。這個管理器包含了一個簡單的狀態機，可以根據存儲在閃存中的設計專用參數對子卡DPOL進行排序。一且排序完成，基卡管理器就能夠監控子卡功率。由于不是所有的功率管理解決方案都是完全數字化的，ActelFusion FPGA包含了一個專用的模擬模塊，用以控制任何模擬類型的負載點或低壓降調節器(drop-out regulators，LDO)。

Fusion模擬模塊完全支持模擬電源的裕量設置和調整功能(Marginingand trimmiag)，而Actel現已提供執行這些功能的IP。

Fusion FPGA具有所有單芯片解決方案所需的各種附加器件，包括用于程序執行的內部SRAM、帶PLL-based時鐘管理的內置振蕩器、為定制功能預留的大量FPGA空間，以及為FPGA內核供電的內部1.5v調節控制器。

Actel Fusion的快閃技術具有即時啟動能力，可為這種解決方案提供穩健性和可靠性。不同于需要上電配置的基于SRAM解決方案，Fusion上電即行，因此可確保可靠的上電周期行為。基于快閃解決方案的另一大主要優點是該技術對單事件翻轉(single-event upset，SEU)具備固有耐受能力。在地面應用中，Actel Fusion器件對SEU不敏感，從而擁有超高的可靠性。許多IDPM設計特性都有助于提高可靠性。比如:足夠的片上閃存，可存儲多個代碼和數據圖像，實現備份圖像支持:可用的錯誤校正碼(Error Correction Code，ECC)保護的SRAM IP:以及帶有智能重啟功能的穩健微處理器看門狗定時器。所有這些特性結合在一起。可為功率管理解決方案奠定堅固的基石。

優勢

IDPM子系統帶來的好處涉及產品壽命周期的每個部分，包括:簡化設計工程、原型調試和認證測試，降低制造成本，減少RMA故障分析，以及實現大量定制特性。

目前許多設計都利用了DPOL器件的可編程性;不過，在制造流程中，對DPOL的處理方式類似于PLD，一旦被編程，它們就分配到一個獨立的OEM部件編號，以示區別。這一步驟將增添管理負擔，并可能增加庫存成本，具體取決于制造工藝。此外，對這些部件進行編程是一個額外的成本高昂的制造步驟。IDPM解決方案則把所有DPOL圖像保存在FPGA閃存中。空白器件可被安裝在板卡上，當IDPM電路首次上電時，它可以對全部DPOL進行自主編程。這就解決了上述所有問題，同時簡化了壞DPOL的替換過程，因為只需用新的空白器件替換壞的DPOL芯片即可。當IDPM上電時，它會檢測空白DPOL并對之進行編程。

Fusion FPGA中的IDPM設計可以實現輕松靈活的現場可重編程性。對上電順序和控制的修改一般表現為閃存中存儲的參數文件的變化。閃存的重新編程方式有多種:可以經由UAKT從帶ARM處理器支持的線卡CPU，或者是經由JTAG端口通過傳統的ISP下載新文件。在圖1所示的典型設計中，1MB的嵌入式閃存可從邏輯上劃分為兩個相等部分。第一部分包含電源參數文件和應用代碼。第二部分可用于這些文件的現場升級。上電后，ARM啟動加載程序檢測最新的有效電源參數文件和應用代碼，并執行之。這種兩分化方案可以始終確保有有效的參數文件和應用圖像可用。通過下載新的應用代碼就可以輕松增加系統功能性和客戶可用特性。

目前新的ASIC設計開始考慮采用工藝相關電壓，以提高良率。讓ASIC工作在核心電壓(±額定價的百分之幾，具體取決于它落在良率曲線的何處)下，可以產出更多的芯片。IDPM能夠從每一個ASIC讀取出位處理信息。并設置適當的核心電壓。

最后，客戶需要的特性和功能越來越多，而基于微處理器的IDPM能夠通過軟件來處理其中大部分問題。IDPM擁有能夠實現先進系統監控、事件記錄以及綠色功率控制的所有功能，這使它成為新的電源系統設計的理想選擇。

總結

目前的復雜系統設計需要功能強大且高效的功率管理來實現客戶要求的先進功能。智能化功率管理對滿足綠色倡議要求和最小化功耗至關重要。Actel的可重編程快閃Fusion FPGA系列提供了一個可構建智能化、可靠且緊湊的功率管理器的理想平臺。愛特公司擁有世界一流的工具、參考設計、軟硬件IP和支持團隊，可讓用戶立刻啟動和運行功率管理設計。