板卡上電時(shí)序控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真

張 彪，邢計(jì)元，王 帥

(華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京 100083)

0 引言

現(xiàn)階段開(kāi)發(fā)的板卡需要的芯片性能越來(lái)越高，系統(tǒng)的復(fù)雜程度隨之增加，需要的電壓值也越來(lái)越多，一些芯片對(duì)上電時(shí)序有嚴(yán)格的要求[1-2]。傳統(tǒng)的上電時(shí)序控制中，大多通過(guò)使用CPLD 或電源管理芯片控制每個(gè)電源芯片的使能引腳，從而控制各路電源的上電時(shí)間[3-4]。CPLD 芯片和電源管理芯片的價(jià)格昂貴以及大量電源芯片的使用，導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本大大增加。為了降低成本和系統(tǒng)的復(fù)雜程度，本文利用多個(gè)MOSFET 管將一路電源分流出多路電源供給板卡上的不同芯片或同一芯片的不同部分。這種方式有利于減少電源芯片的使用數(shù)量，降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。本文利用單片機(jī)控制各個(gè)MOSFET 管的開(kāi)斷，實(shí)現(xiàn)各路電源上電時(shí)序的控制。單片機(jī)的價(jià)格低廉且使用電源芯片的數(shù)量減少，使上電時(shí)序控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本大大降低。一些板卡系統(tǒng)需要對(duì)電壓和電流進(jìn)行監(jiān)控，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，單片機(jī)完全可以滿足這些條件，因此本文利用單片機(jī)設(shè)計(jì)的上電時(shí)序控制系統(tǒng)具有性價(jià)比高、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 上電時(shí)序控制方案的設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段大多數(shù)板卡的上電時(shí)序控制系統(tǒng)采用CPLD 控制電源模塊的使能的方案，該方案導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本增加等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，本文利用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)高性價(jià)比、簡(jiǎn)單、高可靠性、通用性強(qiáng)的上電時(shí)序控制系統(tǒng)。其方案如圖1所示。通過(guò)對(duì)板卡功耗的評(píng)估，選擇合適的電源芯片，在滿足功耗的前提下選擇最優(yōu)數(shù)量的電源芯片。電源芯片輸出的任意一路電源可以通過(guò)多個(gè)MOSFET 管將其分成多路電源，供給板卡的不同部分，有利于減少電源芯片的使用數(shù)量。通過(guò)單片機(jī)的I/O 引腳，控制MOSFET 管的開(kāi)斷，實(shí)現(xiàn)各路電源上電時(shí)序的控制。利用單片機(jī)的ADC 功能實(shí)現(xiàn)電壓和電流的監(jiān)控，并將電壓和電流實(shí)時(shí)反饋給板卡，保證板卡安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

圖1 板卡上電時(shí)序控制方案

2 板卡上電時(shí)序控制電路的設(shè)計(jì)

2.1 上電時(shí)序的分析

某板卡使用的核心芯片和模塊有POWER、Zynq-7020、SFP+光模塊、PHY 等，需要提供的電壓值有5 V、3.3 V、2.5 V、1.8 V、1.5 V、1.0 V。其中Xilinx 公司Zynq-7020 集成Cortex-A9 雙核處理器(PS)和Artix-7 技術(shù)的FPGA(PL)兩大部分[5]。PS 和PL 的供電完全獨(dú)立，兩者之間沒(méi)有任何的上電時(shí)序要求，但各自內(nèi)部有嚴(yán)格的上電時(shí)序要求，如表1所示。

表1 Zynq-7020 上電時(shí)序表

本文由于采用單片機(jī)控制MOSFET 管的方式實(shí)現(xiàn)Zynq-7020 芯片上電時(shí)序控制，因此Zynq-7020芯片的PS 部分的VCCPINT 和PL 部分的VCCINT、VCCBRAM 用同一路1.0 V 電源供電；VCCPAUX、VCCPLL、VCCAUX 用同一路1.8 V 電源供電；VCCO_MIO0、VCCO_MIO1、VCCO_# 用同一路3.3 V 電源供電。只需要4 路電源實(shí)現(xiàn)了Zynq-7020 芯片的供電，很大程度地減少了電源芯片的使用，大大地降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。

ADI 公司的LTM4644IY 電源芯片可輸出4 路電源，每路最大可輸出4 A 的電流。通過(guò)對(duì)板卡功耗的評(píng)估，本文使用兩個(gè)LTM4644IY 電源芯片，提供5 V、3.3 V、2.5 V、1.8 V、1.5 V、1.0 V 八路電源，實(shí)現(xiàn)整板供電。

2.2 元器件的選型

單片機(jī)選用宏晶科技公司STC15W4K32S4 單片機(jī)，其參數(shù)如表2 所示。STC15W4K32S4 單片機(jī)的運(yùn)行速度比傳統(tǒng)8051 快8～12 倍?？墒〉敉獠堪嘿F的晶振和復(fù)位電路，有8 路高速ADC，速度可達(dá)30 萬(wàn)次/秒，完全滿足使用要求。

表2 STC15W4K32S4 單片機(jī)參數(shù)表

MOSFET 管選用揚(yáng)杰科技公司的YJL3416A 場(chǎng)效應(yīng)管，其參數(shù)如表3 所示。YJL3416A 場(chǎng)效應(yīng)管在VGS=5 V 時(shí)，連續(xù)漏極可達(dá)7 A，導(dǎo)通電阻小于18 mΩ，損耗在場(chǎng)效應(yīng)管上的壓降很小，在VGS=0 V 時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷，完全滿足使用要求。

表3 YJL3416A 場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)表

2.3 電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

Zynq-7020 芯片功耗的主要集中在內(nèi)核上，所以分別對(duì)PS 和PL 兩部分的內(nèi)核電流進(jìn)行監(jiān)控。電流檢測(cè)電路如圖2 所示，通過(guò)測(cè)量電阻R5兩側(cè)的電壓，計(jì)算出流過(guò)MOSFET 管的電流。為了減少壓降的損耗，經(jīng)計(jì)算串接的電阻R5的阻值為5 mΩ。電流檢測(cè)電路的目的是要得到電壓VOUT和電流I的關(guān)系。

圖2 電流檢測(cè)電路

由虛斷可得：

由虛短可得：

由流過(guò)電阻R2和電阻R4的電流是相等，可得：

由式(1)～式(5)可得：

2.4 上電時(shí)序控制原理圖的設(shè)計(jì)

如圖3 所示，本文通過(guò)STC15W4K32S 單片機(jī)控制MOSFET 管Q1～Q8 的開(kāi)斷，將板卡上的3.3 V、1.8 V、1.5 V、1.0 V 電源分流出來(lái)，分別供給Zynq-7020芯片的PS 和PL 兩部分。利用STC15W4K32S 單片機(jī)的ADC 功能將供給Zynq-7020 芯片的同路電源的電壓進(jìn)行監(jiān)控，在各路電壓達(dá)到額定電壓的80%時(shí)依次開(kāi)啟各MOSFET 管，實(shí)現(xiàn)多路電源上電時(shí)序控制，將電流和電壓實(shí)時(shí)反饋給板卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體功耗及安全性的管控。

圖3 多路電源上電時(shí)序控制電路

STC15W4K32S 單片機(jī)中有8 路ADC，使用其中4 路ADC 對(duì)3.3 V、1.8 V、1.5 V、1.0 V 的電壓監(jiān)控，使用另外4 路分別對(duì)PS 和PL 的內(nèi)核電流監(jiān)控和MOSFET 管Q2 和Q6 的輸出電壓監(jiān)控。將控制給PS和PL 供電的3.3 V 的MOSFET 管的輸出端，分別接入到單片機(jī)的I/O，用于判斷MOSFET 是否開(kāi)啟成功。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 延時(shí)的實(shí)現(xiàn)

軟件部分采用C 語(yǔ)言在Keil 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，本文利用STC-ISP 軟件中的延時(shí)計(jì)算器，計(jì)算得到一個(gè)延時(shí)10 ms 的函數(shù)。

3.2 ADC 的實(shí)現(xiàn)

利用STC15W4K32S 單片機(jī)的8 路ADC 對(duì)需要監(jiān)控的電壓和電流進(jìn)行采集。

3.3 上電時(shí)序控制

上電時(shí)序控制流程如圖4 所示，編程的思想是：首先單片機(jī)上電復(fù)位后，對(duì)I/O 口進(jìn)行配置，然后通過(guò)ADC 采集3.3 V、1.8 V、1.5 V、1.0 V 的各路電壓，各路電壓達(dá)到80%額定值且持續(xù)10 ms，說(shuō)明電源完好[6]。滿足上電要求后，依次開(kāi)啟控制各路電源的MOSFET 管。Zynq-7020 芯片的PS 部分：先開(kāi)啟控制VCCPINT 電壓的MOSFET 管，再開(kāi)啟控制VCCPAUX 和VCCPLL 電壓的MOSFET 管，最后再開(kāi)啟控制VCCO_MIO0、VCCO_MIO1 和 VCCO_DDR電壓的MOSFET 管，依次間隔10 ms。PL 部分：先開(kāi)啟控制VCCINT 電壓的MOSFET 管，其次開(kāi)啟控制VCCBRAM 電壓的MOSFET 管，再次開(kāi)啟控制VCCAUX電壓的MOSFET 管，最后開(kāi)啟控制VCCO_# 電壓的MOSFET 管，依次間隔10 ms。上電過(guò)程中通過(guò)對(duì)各路電源的電壓和電流的綜合分析，判斷各路電源上電是否成功。上電成功后，對(duì)電流和部分電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將采集的電壓和電流信息反饋給板卡。

圖4 上電時(shí)序控制流程

4 Proteus 和Keil 軟件聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)

4.1 仿真環(huán)境的搭建

Proteus 軟件是一款集電路設(shè)計(jì)、仿真、分析等多種功能于一體的仿真軟件，具有很全面的電路仿真功能和單片機(jī)協(xié)同仿真功能，是目前世界上最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái)[7-8]。Proteus 軟件可以很方便地與Keil 軟件搭建聯(lián)合仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)軟硬件仿真[9-10]。STC15W4K32S 單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)普通I/O 處于弱上拉狀態(tài)，高電平輸出，而在實(shí)際應(yīng)用中要求P6 口為低電平輸出，由于單片機(jī)內(nèi)部I/O 口是弱上拉，內(nèi)部上拉能力有限，因此可以在I/O 口上接一個(gè)1 kΩ 的下拉電阻，使I/O 口上電復(fù)位時(shí)處于低電平。由于Proteus 軟件中STC15W4-K32S 單片機(jī)無(wú)法模擬此功能，因此在本仿真電路設(shè)計(jì)中采用非門，MOSFET 管在單片上電復(fù)位時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)。由于Proteus 軟件中沒(méi)有Zynq-7020 芯片，而本仿真主要是針對(duì)單片機(jī)控制多路電源上電時(shí)序以及電流和電壓的采集的仿真，因此仿真電路中選用10 kΩ 的電阻作為需要控制的各路電源的負(fù)載。由于本文主要研究利用多個(gè)MOSFET 管將單路電源進(jìn)行分流，形成多路電源，利用單片機(jī)控制MOSFET 管，實(shí)現(xiàn)多路電源上電時(shí)序控制，因此無(wú)需對(duì)電源芯片仿真，直接使用仿真軟件中的3.3 V、1.8 V、1.5 V、1.0 V 的直流電源即可。如圖5 所示，在Proteus 軟件中搭建上電時(shí)序仿真電路。

圖5 上電時(shí)序仿真電路

4.2 仿真結(jié)果分析

在Proteus 軟件中使用示波器對(duì)各路電源上電時(shí)序進(jìn)行監(jiān)測(cè)。供給Zynq-7020 芯片的PS 部分的各路電源上電時(shí)序波形如圖6 所示，其中Channel A 代表1.0 V，Channel B 代表1.8 V，Channel C 代表1.5 V，Channel D 代表3.3 V。供給PL 部分的各路電源上電時(shí)序波形如圖7 所示，其中Channel A代表核電源1.0 V，Channel B 代表RAM 電源1.0 V，Channel C 代表1.8 V，Channel D 代表3.3 V，完全符合上電要求。

圖6 PS 部分上電時(shí)序圖

圖7 PL 部分上電時(shí)序圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)通用型、簡(jiǎn)單、高性價(jià)比、高穩(wěn)定性的多路電源上電時(shí)序控制系統(tǒng)。根據(jù)Zynq-7020 芯片的上電時(shí)序要求，將多路電源上電時(shí)序控制系統(tǒng)應(yīng)用其中，完成了硬件電路的設(shè)計(jì)和控制程序的設(shè)計(jì)。在Proteus 和Keil 軟件建立的聯(lián)合仿真平臺(tái)中完成了多路電源上電時(shí)序控制的仿真，仿真結(jié)果符合Zynq-7020 芯片上電要求，說(shuō)明此設(shè)計(jì)的可行性，為該設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中奠定了基礎(chǔ)。