智能化数字功率管理(IDPM)轻松实现功率管理

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Actel(爱特)的IDPM解决方案在单芯片内整合了32位ARM Cortex-M1微处理器、闪存、SRAM、模拟功能、振荡器、多项外设，以及大量的用户逻辑空间。该平台为模块化可扩展架构，包含一个很容易扩展的基本解决方案，能够控制多达32个数字负载点(digital point-of-load, DPOL)电源。Actel的FPGA工具套件可使软硬件的修改变得十分简单，从而加快集成速度，缩短上市时间。
　　可复用的集成式解决方案
　　功率管理解决方案必须功能强大、结构紧凑，并易于复用。Actel的IDPM设计解决方案以单芯片的形式提供功能齐全的功率管理器，很容易通过修改来支持各种不同的板上功率要求。由于该设计执行数字负载点电源，并使用Fusion FPGA的嵌入式闪存，故只需极小的工程工作量就可以被复用。新的设计只需在基本功率管理器设计中增加所需的DPOL，并在Fusion FPGA内部的快闪资源中创建并存储设计专用的功率参数即可。
　　图1所示为一个典型的IDPM系统。该系统包含了一个带有多达32个DPOL，并连接标准SMBus的Actel Fusion FPGA。

　　这种FPGA的一个实例是带有一组支持外设(与ARM本地总线连接)的基于ARM Cortex-M1的微处理器。FPGA 中的1MB闪存可用于ARM程序代码和设计专用功率参数的非易失性存储。设计专用参数是板上功率设计的独有特性，其中包含DPOL器件数目、DPOL SMBus地址、DPOL配置数据、序列信息及其它设计专用数据。执行命令后，ARM处理器便会启动、读取设计专用参数，并通过SMBus对POL器件进行排序。只要板卡上电，IDPM就会监控所有的电源轨，报告/记录任何异常情况，执行绿色政策，并响应功率系统控制和系统微处理器的状态查询。
　　在这种架构中，子卡支持十分简单。可以通过把SMBus路由到子卡，使子卡成为基卡设计的扩展卡。另外，可通过将基卡功率管理器的简化版以实例化方式加载到小尺寸Fusion器件中，以实现独立式的子卡架构。这个管理器包含了一个简单的状态机，可以根据存储在闪存中的设计专用参数对子卡DPOL进行排序。一旦排序完成，基卡管理器就能够监控子卡功率。由于不是所有的功率管理解决方案都是完全数字化的，Actel Fusion FPGA 包含了一个专用的模拟模块，用以控制任何模拟类型的负载点或低压降调节器(drop-out regulators, LDO)。
　　Fusion模拟模块完全支持模拟电源的裕量设置和调整功能(Margining and trimming)，而Actel现已提供执行这些功能的IP。
　　Fusion FPGA具有所有单芯片解决方案所需的各种附加器件，包括用于程序执行的内部SRAM、带PLL-based时钟管理的内置振荡器、为定制功能预留的大量FPGA空间，以及为FPGA内核供电的内部1.5 V 调节控制器。
　　Actel Fusion的快闪技术具有即时启动能力，可为这种解决方案提供稳健性和可靠性。不同于需要上电配置的基于SRAM解决方案，Fusion上电即行，因此可确保可靠的上电周期行为。基于快闪解决方案的另一大主要优点是该技术对单事件翻转(single-event upset, SEU) 具备固有耐受能力。在地面应用中，Actel Fusion 器件对SEU不敏感，从而拥有超高的可靠性。许多 IDPM 设计特性都有助于提高可靠性，比如：足够的片上闪存，可存储多个代码和数据图像，实现备份图像支持;可用的错误校正码(Error Correction Code, ECC) 保护的SRAM IP;以及带有智能重启功能的稳健微处理器看门狗定时器。所有这些特性结合在一起，可为功率管理解决方案奠定坚固的基石。
  
　　优势
　　IDPM子系统带来的好处涉及产品寿命周期的每个部分，包括：简化设计工程、原型调试和认证测试，降低制造成本，减少RMA故障分析，以及实现大量定制特性。

      目前许多设计都利用了DPOL器件的可编程性;不过，在制造流程中，对DPOL的处理方式类似于PLD，一旦被编程，它们就分配到一个独立的OEM部件编号，以示区别。这一步骤将增添管理负担，并可能增加库存成本，具体取决于制造工艺。此外，对这些部件进行编程是一个额外的成本高昂的制造步骤。IDPM解决方案则把所有DPOL图像保存在FPGA闪存中。空白器件可被安装在板卡上，当IDPM电路首次上电时，它可以对全部DPOL进行自主编程。这就解决了上述所有问题，同时简化了坏DPOL的替换过程，因为只需用新的空白器件替换坏的 DPOL芯片即可。当IDPM上电时，它会检测空白DPOL并对之进行编程。
　　Fusion FPGA中的IDPM设计可以实现轻松灵活的现场可重编程性。对上电顺序和控制的修改一般表现为闪存中存储的参数文件的变化。闪存的重新编程方式有多种：可以经由UART从带ARM处理器支持的线卡CPU，或者是经由JTAG端口通过传统的ISP下载新文件。在图1所示的典型设计中，1MB的嵌入式闪存可从逻辑上划分为两个相等部分。第一部分包含电源参数文件和应用代码。第二部分可用于这些文件的现场升级。上电后，ARM启动加载程序检测最新的有效电源参数文件和应用代码，并执行之。这种两分化方案可以始终确保有有效的参数文件和应用图像可用。通过下载新的应用代码就可以轻松增加系统功能性和客户可用特性。
　　目前新的ASIC设计开始考虑采用工艺相关电压，以提高良率。让ASIC工作在核心电压(±额定值的百分之几，具体取决于它落在良率曲线的何处)下，可以产出更多的芯片。IDPM 能够从每一个ASIC读取出位处理信息，并设置适当的核心电压。
　　最后，客户需要的特性和功能越来越多，而基于微处理器的 IDPM 能够通过软件来处理其中大部分问题。IDPM拥有能够实现先进系统监控、事件记录以及绿色功率控制的所有功能，这使它成为新的电源系统设计的理想选择。
　　总结
　　目前的复杂系统设计需要功能强大且高效的功率管理来实现客户要求的先进功能。智能化功率管理对满足绿色倡议要求和最小化功耗至关重要。Actel的可重编程快闪Fusion FPGA系列提供了一个可构建智能化、可靠且紧凑的功率管理器的理想平台。爱特公司拥有世界一流的工具、参考设计、软硬件IP和支持团队，可让用户立刻启动和运行功率管理设计。