引 言

隨著電子產(chǎn)品集成度越來(lái)越高，多處理器板卡得到了越來(lái)越多的應(yīng)用設(shè)計(jì)，高性能的處理器對(duì)于電源有嚴(yán)格的要求。一般來(lái)說(shuō)，各處理器本身就有電源時(shí)序要求，合作配合也有時(shí)序要求，同時(shí)還有相關(guān)監(jiān)視要求。如何根據(jù)工程實(shí)際， 設(shè)計(jì)出更加高效的多處理器系統(tǒng)電源管理架構(gòu)，是目前需要解決的重要問(wèn)題之一。而有著“萬(wàn)能芯片”稱號(hào)的 FPGA（Field-Programmable Gate Array）器件以其并行數(shù)據(jù)處理能力、靈活的時(shí)序及邏輯電路搭建方式而被廣泛應(yīng)用于電源管理的設(shè)計(jì)當(dāng)中 [1-3]。

針對(duì)這些需求，本文設(shè)計(jì)了一種采用 FPGA 器件為核心的通用電源管理模塊，該模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)處理器電源的上電、掉電、節(jié)能等全方位的控制需求。

1 架構(gòu)基本設(shè)計(jì)

1.1 基本組成

本電源管理架構(gòu)組成如圖 1 所示。其主要由輸入電源監(jiān)視單元、穩(wěn)壓供電單元、FPG 單元、開關(guān)電源和輸出電源監(jiān)視單元組成。

1.2 主要實(shí)施步驟

(1) 外部電源經(jīng)輸入電源監(jiān)視單元為兩個(gè)以上的開關(guān)電源供電，開關(guān)電源輸出兩路以上的電源為處理器供電 ；

(2) 輸入電源監(jiān)視單元輸出的電源信號(hào)經(jīng)穩(wěn)壓供電單元為可編程邏輯單元提供電源 ；

(3) 輸入電源監(jiān)視單元對(duì)外部輸入的電源狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，輸出電源監(jiān)視單元對(duì)開關(guān)電源輸出的電源進(jìn)行監(jiān)視 ；

(4) 可編程邏輯單元接收并根據(jù)輸入電源監(jiān)視單元、輸出電源監(jiān)視單元、開關(guān)電源的狀態(tài)信息對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行控制。

2 實(shí)例基本設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)例基本結(jié)構(gòu)組成

一種處理器多電源管理模塊的結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示。包括濾波模塊、輸入電源健康監(jiān)視模塊、儲(chǔ)能模塊、LDO 穩(wěn)壓模塊、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件、微調(diào)控制器、開關(guān)電源 1、開關(guān)電源 2、輸出電源健康監(jiān)視模塊和處理器 [4-6]。

2.2 實(shí)例主要功能設(shè)計(jì)

（1）微調(diào)控制器 ：現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件穩(wěn)定運(yùn)行后，先向微調(diào)控制器發(fā)出初始控制脈沖，使得微調(diào)處理器控制開關(guān)電源發(fā)出處理器需要的穩(wěn)態(tài)電壓，微調(diào)處理器對(duì)開關(guān)電源輸出的電源進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)處理器正常運(yùn)行后，微調(diào)控制器將開關(guān)電源的控制權(quán)交由處理器管理，處理器根據(jù)自身負(fù)載的動(dòng)態(tài)需求進(jìn)行內(nèi)核電壓的動(dòng)態(tài)微調(diào) [7]。

（2）濾波模塊和儲(chǔ)能模塊 ：外部的直流電源經(jīng)濾波模塊處理后，由輸入電源健康監(jiān)視模塊輸出至儲(chǔ)能模塊。儲(chǔ)能模塊分別為 LDO穩(wěn)壓模塊、開關(guān)電源、微調(diào)控制器提供輸入電源，儲(chǔ)能模塊用于外部電源關(guān)斷后，保證處理器的電源仍維持短時(shí)間工作 [8]。

（3）輸入電源健康監(jiān)視模塊 ：監(jiān)視外部電源的電壓和電流狀態(tài)，并將外部電源過(guò)壓、欠壓、掉電、過(guò)流狀態(tài)信息傳送至現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件。開關(guān)電源的芯片正常狀態(tài)傳送至現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件 [9]。

（4）輸出電源健康監(jiān)視模塊 ：監(jiān)視開關(guān)電源輸出至處理器的電壓狀態(tài)信息，電壓狀態(tài)信號(hào)包括處理器核心電源的過(guò)壓、欠壓狀態(tài)，以及處理器的 I/O電源欠壓狀態(tài)，輸出電源健康監(jiān)視模塊將電壓狀態(tài)信息傳送至現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件。

（5）現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件 ：其穩(wěn)定運(yùn)行后能按照上電的正序依次控制各個(gè)開關(guān)電源的使能，從而能依次管理上電時(shí)序來(lái)滿足處理器的要求?，F(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件根據(jù)來(lái)自于輸入電源健康監(jiān)視模塊的掉電信息、各個(gè)開關(guān)電源的芯片正常狀態(tài)和輸出電源健康監(jiān)視模塊的狀態(tài)信息進(jìn)行綜合判斷，若判斷為故障，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件按照上電的反序，依次控制各個(gè)開關(guān)電源的使能，從而能依次管理掉電時(shí)序來(lái)滿足處理器的要求 [10]。

3 結(jié)語(yǔ)

該處理器電源管理架構(gòu)能夠達(dá)到技術(shù)效果如下 ：

（1）能夠保證各種電源上電、掉電時(shí)序滿足要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各電壓的欠壓監(jiān)視，核心電壓的過(guò)、欠壓監(jiān)視以及核心電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)微調(diào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)輸入電壓的過(guò)、欠壓監(jiān)視， 過(guò)流監(jiān)視 ；

（2）采用可編程邏輯單元進(jìn)行電源管理控制，可編程邏輯單元接口豐富、編程方便，本設(shè)計(jì)具備極強(qiáng)的可擴(kuò)展性和通用性，充分實(shí)現(xiàn)了處理器系統(tǒng)的復(fù)雜電源管理 ；

（3）根據(jù)處理器負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整，能有效延長(zhǎng)處理器使用壽命，通過(guò)對(duì)各電源健康狀態(tài)的統(tǒng)一采集，有效保證了狀態(tài)信息清晰可追溯。