萊迪思半導(dǎo)體

一塊電路板大體上可以被認(rèn)為由兩個(gè)功能塊組成——負(fù)載管理（Payload Management）和硬件管理（Hardware Management）。通常情況下，負(fù)載管理部分占整個(gè)電路板的80%至90%，如數(shù)據(jù)/控制平臺(tái)和/或處理器。而剩下的10%至20%則為硬件管理部分，包括電源管理、溫度管理和控制/內(nèi)務(wù)處理。盡管硬件管理部分僅占電路板的10%至20%，但針對(duì)這個(gè)部分的設(shè)計(jì)和調(diào)試所需的時(shí)間占整個(gè)開(kāi)發(fā)周期相當(dāng)大的比重（30%至40%）。萊迪思的LPTM21 PlatformManager 2和L-ASC10（ASC：模擬傳感和控制）電路可簡(jiǎn)化硬件管理部分的開(kāi)發(fā)，不僅可將開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短為原來(lái)的一半，還能提升電路板的整體可靠性，縮減材料清單（BOM）并降低成本。

硬件管理的實(shí)現(xiàn)和挑戰(zhàn)

過(guò)去，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師使用電源管理電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電源定序、監(jiān)控、微調(diào)和裕度?？刂?內(nèi)務(wù)處理功能，包括復(fù)位分配、電平轉(zhuǎn)換、JTAG鏈管理以及其他電路板級(jí)的膠合邏輯，常使用板上CPLD實(shí)現(xiàn)。溫度管理功能，如溫度監(jiān)控和風(fēng)扇控制，常常集成在板上微控制器固件中。微控制器也常用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的功能，如故障記錄、系統(tǒng)接口、電源控制、管理協(xié)議以及其他系統(tǒng)接口功能。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)

1.在設(shè)計(jì)和調(diào)試上耗費(fèi)更多精力，拖慢產(chǎn)品上市進(jìn)程

設(shè)計(jì)工程師常常會(huì)簡(jiǎn)單地復(fù)制上一版電路板的硬件管理部分設(shè)計(jì)，而新的電路板的負(fù)載硬件管理功能常常需要不同的電源、溫度、控制/內(nèi)務(wù)處理功能支持。在很多情況中，設(shè)計(jì)工程師仍然需要保留之前電路板的部分功能，為了盡量減少用在電路板上的元件，設(shè)計(jì)工程師探索了不同的方式以通過(guò)現(xiàn)有的CPLD利或微控制器實(shí)現(xiàn)新的電源和溫度控制功能。而往往這些方法都無(wú)法提供最可靠的解決方案。

舉個(gè)例子，如果使用微控制器構(gòu)建電源管理功能，要想實(shí)現(xiàn)電源故障的快速系統(tǒng)響應(yīng)以滿足硬件需求，就要讓固件以更高的頻率監(jiān)控每個(gè)電源電壓。這種方法也可能縮短微控制器對(duì)其他功能的響應(yīng)時(shí)間，如管理協(xié)議和響應(yīng)。此時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師就需要更快的處理器，或是具備更高吞吐量的處理器以承擔(dān)增加的電源管理工作量。這可能要重新分配兩個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)（硬件、固件等等）的任務(wù)，并花更多的時(shí)間去設(shè)計(jì)。

基于微控制器的硬件管理功能還有另外一個(gè)缺點(diǎn)，就是無(wú)法仿真。所以只能使用電路板設(shè)計(jì)原型進(jìn)行測(cè)試，硬件管理算法錯(cuò)誤的測(cè)試覆蓋率低，增加了系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間。

綜上所述，非最優(yōu)的硬件/固件劃分（迫于用來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件管理功能的器件限制）會(huì)增加硬件管理部分電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，導(dǎo)致設(shè)計(jì)和調(diào)試用時(shí)的大幅增加。

2.新的設(shè)計(jì)很難擴(kuò)展/復(fù)制已有的硬件管理設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)工程師傾向于在電路板的新版設(shè)計(jì)中套用已有的硬件管理設(shè)計(jì)。這很困難，因?yàn)樾掳骐娐钒迳系呢?fù)載電路需要新的硬件管理功能，和舊版的不同。這就需要設(shè)計(jì)工程師重新考慮硬件管理功能的劃分。此外，它們還需要使用額外的模擬電路來(lái)監(jiān)控電源電壓或器件溫度。我們不提倡更改固件，因?yàn)楹?jiǎn)單地套用已有的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致未來(lái)產(chǎn)生更復(fù)雜的維護(hù)問(wèn)題。隨著電路板設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜（電源數(shù)量增加、更多電源定序算法、需要監(jiān)控其他器件溫度等等），設(shè)計(jì)工程師將不得不添加額外功能到CPLD或微控制器中。

總而言之，非最優(yōu)的硬件/固件劃分將迫使設(shè)計(jì)工程師定制硬件/固件解決方案并使用分立的器件來(lái)滿足電路板的特定硬件管理功能。此外，并沒(méi)有單一標(biāo)準(zhǔn)化的方案能夠用于各類(lèi)簡(jiǎn)單和復(fù)雜的電路板。

3.增加BOM和成本

針對(duì)各種不同的電路板采用不同的電路組合會(huì)增加現(xiàn)有系統(tǒng)中使用的電路數(shù)量，從而導(dǎo)致BOM的增加。由于很多電路僅用于某些電路板，元器件部門(mén)就無(wú)法獲得大批量購(gòu)買(mǎi)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，這將導(dǎo)致系統(tǒng)整體成本的增加。

傳統(tǒng)的硬件管理解決方案使得硬件管理設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。這些設(shè)計(jì)很難去擴(kuò)展、要花更多時(shí)間去設(shè)計(jì)/調(diào)試、需要更多電路，還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)解決方案變得更加昂貴。

下文將描述一種不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，能夠非常靈活地進(jìn)行調(diào)整和擴(kuò)展，并使用PLD來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件管理算法。該方法簡(jiǎn)化了固件實(shí)現(xiàn)，縮短了設(shè)計(jì)/調(diào)試時(shí)間，增強(qiáng)了電路板級(jí)/系統(tǒng)級(jí)的可靠性，還縮減了元器件BOM和系統(tǒng)總成本。

革命性的硬件管理解決方案

萊迪思的L-ASC10硬件管理擴(kuò)展器和LPTM21 Platform Manager 2（硬件管理控制器）器件可用于在一塊電路板上集成硬件管理功能。其中，L-ASC-10（ASC）器件集成了電壓監(jiān)控（10通道）、電源電流監(jiān)控（2通道）以及器件/電路板溫度監(jiān)控（3通道）。ASC還可通過(guò)片上ADC測(cè)量電壓、電流和溫度。同時(shí)采用ASC和MachXO2/3（取代傳統(tǒng)解決方案中的CPLD）器件可集成電路板上的硬件管理功能。

LPTM21 Platform Manager 2器件集成了ASC功能和1200 LUT FPGA。該單芯片的解決方案實(shí)現(xiàn)完整的硬件管理功能，還可滿足部分系統(tǒng)板的硬件管理需求。

設(shè)計(jì)工程師可使用PowerAssist（電子制表軟件）和Lattice Diamond軟件進(jìn)行硬件管理功能設(shè)計(jì)。這些工具能將數(shù)天的設(shè)計(jì)用時(shí)縮短為數(shù)小時(shí)。此外，設(shè)計(jì)工程師還可使用PowerDebug工具對(duì)采用萊迪思硬件管理解決方案的電路板進(jìn)行調(diào)試。

萊迪思的硬件管理解決方案、設(shè)計(jì)軟件和調(diào)試工具彌補(bǔ)了傳統(tǒng)硬件管理設(shè)計(jì)的短板，可以說(shuō)這是真正的可“復(fù)制”的解決方案。下文將說(shuō)明萊迪思的硬件管理解決方案如何取代傳統(tǒng)的硬件管理設(shè)計(jì)方法。

可選的硬件管理實(shí)現(xiàn)方案

萊迪思提供兩種方案，可用于實(shí)現(xiàn)圖2中電路板所需的硬件管理功能。

方案1：同時(shí)采用L-ASC10（硬件管理擴(kuò)展器）和MachXO2或MachXO3（CPLD）器件，將硬件管理功能添加到電路板上。

方案2：如果電路板需要I/O數(shù)小于100、LUT數(shù)量大約為1000的CPLD，設(shè)計(jì)工程師可使用單芯片的LPTM21 Platform Manager 2器件來(lái)實(shí)現(xiàn)該電路板的硬件管理功能。

在方案1中，同時(shí)采用ASC和MachXO2/3器件集成電路板上的硬件管理功能。MachXO2/3器件內(nèi)的算法可通過(guò)L-ASC10器件監(jiān)控電壓、電源電流和溫度的狀態(tài)以及電源定序。MachXO2/3器件還能控制安裝在芯片上或盒內(nèi)的風(fēng)扇。該解決方案是可擴(kuò)展的。舉個(gè)例子，通過(guò)添加兩個(gè)ASC器件來(lái)輔助MachXO2/3器件，即可實(shí)現(xiàn)支持高達(dá)20個(gè)電壓的電路板硬件管理功能。一般而言，硬件管理功能設(shè)計(jì)中可通過(guò)添加8個(gè)ASC器件來(lái)輔助MachXO2/3，最高可支持80個(gè)電壓。使用大小合適的MachXO2/3器件即可滿足硬件管理設(shè)計(jì)的邏輯和I/O需求。萊迪思提供256到9400 LUT、I/O數(shù)從18到384MachXO2/3器件。復(fù)雜的設(shè)計(jì)能夠得益于該解決方案采用的相同設(shè)計(jì)和調(diào)試環(huán)境而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。下文將為您詳細(xì)介紹ASC器件的功能。

在方案2中，基于單個(gè)Platform Manager 2器件的硬件管理解決方案最多可支持10個(gè)電源電壓。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包含更多電源，可添加ASC器件以輔助Platform Manager 2器件。設(shè)計(jì)工程師為L(zhǎng)PTM21 Platform Manager 2添加額外的3個(gè)ASC器件即可管理多達(dá)40個(gè)電源電壓。

萊迪思硬件管理解決方案的優(yōu)勢(shì)

顯著縮短硬件管理功能的設(shè)計(jì)/調(diào)試用時(shí)：萊迪思的ASC和MachXO2/3器件能夠很方便地實(shí)現(xiàn)硬件管理功能設(shè)計(jì)。因?yàn)樵摻鉀Q方案可無(wú)縫擴(kuò)展，設(shè)計(jì)工程師能夠輕松地套用之前電路板上的相關(guān)設(shè)計(jì)，并使用MachXO2/3器件實(shí)現(xiàn)電路板所需的特定功能。微控制器固件可專(zhuān)注于執(zhí)行更高層的系統(tǒng)級(jí)功能。MachXO2/3器件可實(shí)現(xiàn)所有底層、實(shí)時(shí)、電路板所需的特定硬件管理功能。

舉個(gè)例子，固件在發(fā)出一個(gè)“負(fù)載上電”的指令時(shí)，無(wú)需知曉電路板上的電源數(shù)量。該指令普遍適用于系統(tǒng)內(nèi)的所有電路板。固件可專(zhuān)注于實(shí)現(xiàn)更高層的系統(tǒng)功能，在大多數(shù)電路板上使用通用指令，僅需極少或最少的更改就能在大部分電路板上使用，可減少固件設(shè)計(jì)用時(shí)。

另一個(gè)導(dǎo)致硬件管理設(shè)計(jì)時(shí)間增加的原因是電源管理。電源管理設(shè)計(jì)常常通過(guò)使用來(lái)自不同供應(yīng)商的電源管理器件、分別配套的GUI設(shè)計(jì)軟件和/或模擬分立電路實(shí)現(xiàn)。在大多數(shù)情況中，基于GUI的軟件會(huì)默認(rèn)由一個(gè)器件監(jiān)控所有的電源時(shí)序（DC-DC轉(zhuǎn)換器）。但往往受制于成本或其他原因，無(wú)法監(jiān)控所有的電源時(shí)序。設(shè)計(jì)工程師不得不采用其他方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于上電和斷電時(shí)序的需求使得電源管理電路設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，最終導(dǎo)致開(kāi)發(fā)時(shí)間的增加。萊迪思的解決方案簡(jiǎn)化了電源管理電路設(shè)計(jì)，使用電子制表工具（PowerAssist）來(lái)實(shí)現(xiàn)電路板所需的特定電源管理功能。這種方法更加靈活和高效，因?yàn)楣ぞ邥?huì)按照電源管理參數(shù)自動(dòng)生成算法。使用PowerAssist工具可將原先數(shù)天的設(shè)計(jì)時(shí)間縮短到數(shù)小時(shí)。

控制/內(nèi)務(wù)處理和溫度管理功能可通過(guò)設(shè)計(jì)工具HDL以類(lèi)似的方法實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)工具能夠?qū)穗娫垂芾碓O(shè)計(jì)并僅需一條指令即可將其添加到控制/內(nèi)務(wù)處理和溫度管理設(shè)計(jì)中。所有功能都可集成到一片MachXO2/3器件中。

萊迪思的解決方案提供最優(yōu)的硬件/固件劃分方案，使用硬件（MachXO2/3）實(shí)現(xiàn)所有的實(shí)時(shí)硬件管理功能，并使用固件實(shí)現(xiàn)更高層、時(shí)序要求較低的功能（外部微控制器）。

設(shè)計(jì)工程師可使用Diamond軟件對(duì)采用MachXO2/3和ASC器件的設(shè)計(jì)進(jìn)行功能仿真，確保硬件管理功能在真正下載到電路板之前是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的。這能夠提升首次成功率并減少調(diào)試用時(shí)。

萊迪思還提供PowerDebug工具，便于測(cè)量用戶電路板的溫度、電壓和電流。它還提供額外的功能，如電源定序單步調(diào)試和插入電路板級(jí)的電源故障。這些功能可顯著減少調(diào)試用時(shí)。

可靠性增強(qiáng)：電路板上的硬件管理功能就好比是神經(jīng)系統(tǒng)，精確的故障偵測(cè)加上更快的響應(yīng)時(shí)間可確保系統(tǒng)的可靠性。在ASC器件的輔助下，使用MachXO2/3器件實(shí)現(xiàn)的硬件管理算法可同時(shí)監(jiān)控所有的電源和溫度故障，而且精確度很高（典型值：0.2%）。ASC和MachXO2/3器件提供完整集成的硬件管理解決方案，故障響應(yīng)時(shí)間小于100μs。

遲緩的故障響應(yīng)會(huì)引起電路板其他部分的連鎖故障。舉個(gè)例子，如果DDR存儲(chǔ)器的電壓低于規(guī)定值而處理器沒(méi)有立即復(fù)位，處理器就會(huì)從存儲(chǔ)器讀取到錯(cuò)誤的指令并跳轉(zhuǎn)到不可預(yù)知行為，引起閃存訛誤或錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包傳輸。在排查處理器錯(cuò)誤執(zhí)行代碼的情況時(shí)幾乎不可能聯(lián)系到DDR存儲(chǔ)器電源電壓過(guò)低的問(wèn)題。采用MachXO2/3和ASC器件組合的解決方案可通過(guò)精確監(jiān)控電源電壓并快速產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，最大程度減少連鎖故障的發(fā)生。電源中斷故障將被記錄在非易失性存儲(chǔ)器的故障日志中，以便于之后的調(diào)試。

縮減BOM并降低成本：Platform Manger 2和ASC器件集成大多數(shù)常用的系統(tǒng)級(jí)電壓、電流和溫度監(jiān)控功能，無(wú)需其他電壓和溫度監(jiān)控電路，能夠方便地實(shí)現(xiàn)所有硬件管理功能，全面支持電路板上的各類(lèi)元器件，可減少系統(tǒng)中使用的電路板數(shù)量。得益于該解決方案的可擴(kuò)展特性，無(wú)論簡(jiǎn)單或復(fù)雜電路板的系統(tǒng)總成本得以降低。

模擬傳感和控制（L-ASC10）器件架構(gòu)

模擬傳感和控制電路（ASC）（硬件管理擴(kuò)展器）可用于擴(kuò)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的電源和溫度通道數(shù)量。ASC芯片擁有20個(gè)高精度（典型值：0.2%）可編程電壓閾值比較器，可同時(shí)判斷10個(gè)電源的過(guò)壓和欠壓故障。還有兩個(gè)電流監(jiān)控電路，每個(gè)都帶有一個(gè)可編程增益放大器以及兩個(gè)可編程閾值比較器。還有一個(gè)快速電流故障偵側(cè)器，能夠在1微秒內(nèi)捕捉電流故障。溫度監(jiān)控器直接連接到溫度傳感二極管，可測(cè)量安裝在電路板上的器件或給定位置的板上溫度。溫度監(jiān)控電路同樣包含可編程閾值比較器。

DAC可用于電源的微調(diào)和裕度，并可實(shí)現(xiàn)VID（電壓識(shí)別數(shù)字信號(hào)）——使用數(shù)字代碼控制電源電壓，以及電壓縮放等功能。MOSFET驅(qū)動(dòng)器可用于將一個(gè)電源電壓分配至多個(gè)位置，以滿足器件的電源定序要求，而且無(wú)需使用額外的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

Platform Manager 2的架構(gòu)細(xì)節(jié)

Platform Manager 2和ASC器件的模擬功能塊是完全一樣的。片上1200 LUT FPGA用于實(shí)現(xiàn)硬件管理算法。故障日志功能包含1個(gè)非易失性存儲(chǔ)器，可用于記錄電壓、電流和溫度故障。表2列出了ASC和LPTM21器件的主要特性。

ASC器件通過(guò)一條8Mbps串行鏈路將電源電壓、電源電流和溫度狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送至MachXO2/3器件。圖5展示了ASC器件是如何連接到MachXO2/3器件的——或連接到LPTM21Platform Manager 2器件，實(shí)現(xiàn)支持包含10到80個(gè)電源電壓的硬件管理功能。

適用于簡(jiǎn)單和復(fù)雜電路板的硬件管理算法可由MachXO2/3器件或LPTM21 PlatformManager 2器件中的FPGA實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用：使用MachXO2和ASC器件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的硬件管理解決方案

采用萊迪思ASC和MachXO2器件的上述硬件管理功能塊框圖（圖6）展示了ASC測(cè)量電壓、電流和溫度的狀態(tài)，并通過(guò)一條串行總線將狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)組achXO2器件。使用MachXO2器件中的算法根據(jù)這些狀態(tài)數(shù)據(jù)執(zhí)行電源管理、溫度管理和部分控制/內(nèi)務(wù)處理功能。MachXO2器件通過(guò)該串行總線控制ASC器件GPIO和HVOUT引腳，用于電源定序和D C-DC電壓控制。額外的ASC器件可用于擴(kuò)展電源管理算法。外部微控制器可通過(guò)12C總線測(cè)量電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)。還能通過(guò)12C總線，或借助MachXO2器件實(shí)現(xiàn)的通信IP通過(guò)任何硬件總線來(lái)控制硬件管理算法。

框圖中展示了許多MachXO2器件集成的硬件管理功能，同樣也適用于MachXO3LF上的設(shè)計(jì)。此外，這些功能還能用軟IP實(shí)現(xiàn)并按需使用，工程師完全可以按照電路板所需的功能來(lái)選擇大小合適的MachXO2/3器件，并根據(jù)板上所需的I/O數(shù)量來(lái)選擇何種封裝的MachXO2/3器件。