גישה חדשנית לניהול ספקי כוח

עם הגירתה של טכנולוגיית הבקרה המתוכנתת אל חלק התכנון השייך לתת מערכות לאספקת מתח, יכולות חדשות עומדות לרשותו של המהנדס המתכנן מעגלים/מערכות. היתרונות האמיתיים, הטמונים ביישום של טכנולוגיית בקרה מתוכנתת בתהליכים לניהול ספקי כוח, ימומשו כאשר המתכנן יוכל לקחת צעד אחד לאחור כדי לבחון את התכנון, וישתמש בהתקני בקרה מתוכנתים (PLDs) כרכיבים ברמה גבוהה של מערכת, ליצירת פתרונות מוכווני פונקציה ובעלי אינטגרציה רבה יותר.

דוגמת תכנון
ייתכן שהדרך הקלה ביותר להראות את השינוי בתפיסת תכנון זו תהיה להציג דוגמת תכנון. התכנון המבוקש הוא תת מערכת לניהול ספקי כוח או מעגלים, לכרטיס בקרה, במערכת תקשורת שמותקנת במסד. תרשים בלוקים של המעגל נראה בחלק העליון של איור 1, עם מראה מורחב של בלוק ניהול ספקי כוח המוצג בחלק התחתון. הרכיבים העיקריים שבמעגל הם יחידת MCU [בקר מיקרו], התקן FPGA, רכיב ASIC, זיכרון DDR, זיכרון הבזק [Flash], התקנים היקפיים ותת מערכת לניהול ספקי כוח או מעגל. המעגל מצויד בלוח אם בארכיטקטורת שאותו אפשר לחבר או להסיר בזמן שמתח האספקה מחובר (יכולת החלפה תחת מתח – hot swap). לוח האם מספק את מקורות המתח הסטנדרטיים של cPCI Express, +12 וולט, +5 וולט ו–+3.3 וולט, ואפשר להשתמש בהם להוספת מתחי אספקה נוספים על המעגל (כמו למשל +2.5 וולט ו–+1.8 וולט). בתכנון זה, קווי אספקת מתח +12 וולט יספקו את רוב ההספק למעגל עם ממירי מתח ישר למתח ישר של נקודת האספקה לעומס (POL) עבור +2.5 וולט ו–+1.8 וולט.
תת המערכת המשמשת להחלפה תחת מתח ולניהול ספקי כוח או מעגל, צריכה לעמוד בדרישות העיקריות הבאות:
דרישות ההספק של המעגל יכולות להיות בטווח מ-10 וואט ועד 200 וואט.
בזמן החיבור למערכת תחת מתח, יש להעלות באופן מבוקר את המתח בקווי אספקת המתח של המעגל, +12 וולט, +5 וולט ו–+3.3 וולט, כך שהזרם הנכנס העולה לא יגרום נזק לטרנזיסטורי MOSFET להספק, שנמצאים על המעגל, ולא יגרום להפרעות במעגלים אחרים, שמחוברים בתוך המסד (יכולת החלפה תחת מתח).
המעגל חייב ליצור התרעה מוקדמת לתקלת לוח אם.
המתחים של המעגל צריכים לעלות ברצף ובצורה נכונה, מפני שבחלק מהרכיבים יש צורך להעלות את קווי אספקת המתח ברצף ובסדר מסוים או בקצבים מסוימים של שיפועי העלייה.
יש צורך ליצור אותות ניהול ספקי כוח ייעודיים למעגל עבור האתחול של התקני FPGA ועבור האיפוס (reset) של התקנים ותת מערכות.
תוצאות המדידות של מתח מעגל האם והמדידות שעל המעגל של המתח והזרם צריכות לעמוד לרשות בקר המערכת דרך חיבור I2C.

איור 1 תרשים בלוקים של מעגל תקשורת בארכיטקטורת cPCI Express

גישת התכנון מלמטה למעלה: רכיבים בדידים לניהול ספקי כוח
לאחר זיהוי הדרישות החשובות עבור ניהול ספקי כוח, ייתכן שהמתכנן יתפתה להציב חלקי מעגל מוכרים בתת המערכת של ניהול ספקי כוח. ככלות הכל, זו הגישה המסורתית לניהול ספקי כוח שהייתה רווחת עד עתה. על ידי שימוש במגוון התקנים, כגון יחידות בקרת החלפה תחת מתח, התקן יצירת רצף/ניטור (sequencer/monitor), ממירי מתח ישר למתח ישר, טרנזיסטורי MOSFET, טרנזיסטורים דו-קוטביים (bipolar), מגברים, דיודות זנר וקבלים, המתכנן יכול להתחיל לפתח חלקים שמופיעים בתכנון, ולהוסיף כמה רכיבים חדשים על מנת לממש תכונות חדשות. התקן PLD יתווסף תמיד כדי לחבר כמה התקנים, ובה בעת לנקות מהשולחן שאריות של פונקציות ספרתיות פשוטות, שנדרשות על מנת לממש חלק מאותות הבקרה של cPCI Express. התוצאה יכולה להיות תכנון כמו זה שמוצג בתחתית איור 1 (ראוי לשים לב שאיור 1 מציג גרסה מפושטת של תכנון ממשי שבו לא מוצגים נגדים, קבלים ודיודות זנר רבים המשמשים לתזמון, להשהיה ולפונקציות אחרות). גישה זו לניהול ספקי כוח יכולה להגדיל את העלויות, להקטין את איכות ואמינות המערכת ולהרחיב את הסיכון לסבבי תכנון של המעגל.

איור 2 תרשים בלוקים מורחב של Power Manager II של Lattice

רכיבים נוספים מגדילים את העלות
כשמשתמשים בגישה מלמטה למעלה עבור תכנון, ייתכן שיהיה צורך להשתמש ברכיבים נוספים. מאחר שכל פונקציה של ניהול ספקי כוח מתוכננת מלכתחילה בלי להתחשב בפונקציות אחרות, ייתכן שתהיה הכפלה מיותרת של התקנים. כמו כן, מאחר שכל אחד מהתקנים אלו מתוכנן בצורה מבודדת, יש לו רכיבי משנה משל עצמו (משאבות קבלים – Charge pump, יחידות ייחוס מתח, מערכות ניטור מתח נמוך, מעגלי השוואה, מארזים, פינים וכיו”ב), וכך הרכיבים האלו מוכפלים שלא לצורך. עובדה זו מייקרת את עלויות הרכיבים, עלויות הבדיקות ועלויות הייצור. האמינות פוחתת אף היא, כתוצאה ממספרם הרב של רכיבים וחיבורים פנימיים שמשמשים בהתקן.

מורכבות תכנון רבה יותר מקטינה את האיכות והאמינות
הדבר שאולי יכול להיחשב לחשוב ביותר, שאותו תוכל לעשות תת מערכת לניהול ספקי כוח כדי לשפר את אמינות המעגל, הוא שיפור הדיוק של ניטור התקלות באספקת המתחים, ובכך גם את מהירות הכיבוי. אם תהיה תגובה מדויקת ומהירה לתקלות ויינקטו פעולות תיקון במהירות – ימוזערו המקרים של השחתת זיכרון הבזק או של נזקים מסוגים אחרים שעלולים להיגרם לרכיבים שעל המעגל. גישת תכנון מלמטה למעלה תיצור מערכת לא אחידה עם מימושים חופפים שיהיו אחראיים לחלקים שונים של ניטור תקלות ולפונקציות תגובה. הדיוק וזמן התגובה הנובעים מכך עלולים להיפגע. לדוגמה, ייתכן שלא תהיה אפשרות לספק למעבד התרעה מוקדמת בנוגע לשליפה בלתי צפויה של מעגל ולאפשר לו לבצע כיבוי מסודר, אם לספק המתח לא יהיה זמן מספיק להגיב לשליפת המעגל – או ייתכן שלא תהיה אפשרות לבצע כוונון של רכיבי תזמון שונים על מנת לספק במדויק את ההשהיות הקריטיות בעלות תלות פנימית ביניהן, לצורך פעולות של ביטול ריטוטים (debounce), משך הזמן של ניסיונות חוזרים (retry period) ורצף פעולות איפוס.

איור 3 – תת מערכת cPCI Express לאספקת מתח עם התקן ניהול ספקי כוח ניתן לתכנות

רכיבים בדידים של פונקציה קבועה מגדילים את הסיכון לסבבי תכנון חוזרים של המעגל
יכול מתכנן לשקול בקפדנות מרבית את כל המשתנים המשפיעים על המערכת, תמיד קיים סיכון שיהיה צורך לבצע שינויים לאחר ייצור המעגל. לעתים קרובות, שינויים מתבצעים בשל בעיות הקשורות בזמינות הרכיבים, בשינויים במפרט, בדרישות שיווקיות ואפילו בשגיאות בתכנון, ובעיות כאלו יכולות לגרום לתהליכים נרחבים של תכנון מחדש. אף לשינויים הקטנים, כגון שינויים בתזמון ההפעלה והכיבוי של ספק הכוח, שינויים בקצבי העלייה או ברמות העירור (trigger) של המתח, יכול להידרש תיקון ערכים של רכיבי תזמון חיצוניים או הוספה של רכיבים למעגל. לכן, לתהליך של תכנון ניהול ספקי כוח שבו משמשים רכיבים בדידים בעלי פונקציה קבועה, יידרש ככל הנראה סבב של תיקונים חוזרים, כתוצאה משינויים בדרישות התכנון.

גישת התכנון מלמעלה למטה: שימוש בהתקן ניהול ספקי כוח ניתן לתכנות
בניגוד לגישת התכנון מלמטה למעלה המתוארת לעיל, גישת התכנון מלמעלה למטה מתחילה בסקירה מפורטת ובהבנה של הדרישות העיקריות בתחום ההספק הנדרשות ליתר חלקי המערכת. במקום לבחור ברכיבים בדידים לניהול ספקי כוח, המתכנן יבחר בהתקן ניהול ספקי כוח שיהיה משולב וניתן לתכנות, ויכלול את הפונקציות שיענו על דרישות חשובות אלו. כך המימוש היעיל הופך לתהליך קל יותר בהרבה.

התקן ניהול ספקי כוח ניתן לתכנות
הפונקציות החשובות של התקן ניהול ספקי כוח משולב וניתן לתכנות מוצגות באיור 2. ההתקן לניהול ספקי כוח מכיל רבים מבין הרכיבים שהיו משמשים בתכנון מלמטה למעלה, אך הם משולבים בהתקן יחיד ומאורגנים באופן פונקציונלי למען הפיכת תהליך התכנון לפשוט. שניים מבין הבלוקים הפונקציונליים האלו ישמשו כדי לתאר טוב יותר את השינוי המתודולוגי הזה, היינו, ממחשבה לפי רכיבים ותכנון מלמטה למעלה, לחשיבה פונקציונלית ותכנון מלמעלה למטה.

יחידת ניטור אספקת מתח בשתי נקודות סף
בבלוק זה קיימות שתי יציאות: נקודת סף (מעל ל-RefA) וחלון (בין RefA לבין RefB). כתוצאה מרמת האינטגרציה הגבוהה של הבלוק, הבלוק יכול להחליף התקני פיקוח על ומחוללי אותות איפוס רבים מהמדף, ובכך להפחית עלויות. התקני השוואה אלו שעל השבב מנטרים את אספקת המתח ומגלים תקלות בדיוק של 0.7% ויכולים לחולל אות של התרעה על תקלה תוך 16 מיקרו שניות. גילוי תקלות מהיר בדיוק גבוה משפר באופן משמעותי את אמינות המערכת, בהשוואה למימוש שבו נעשה שימוש בהתקנים מרובים.

מעגל דחיפת טרנזיסטור MOSFET במתח גבוה
היציאה של מעגל דחיפת טרנזיסטור MOSFET במתח גבוה משמשת כמקור זרם עם קצב שינוי קבוע ומוגדר וברמת מתח מוגדרת, או שהיא קולטת זרם מסוים ומזרימה אותו להארקה. בהתקן Power Manager II (התקן לניהול ספקי כוח) של Lattice כל מאפייני טרנזיסטור MOSFET אלו ניתנים לתכנות – וכך המתכנן יכול לשנות בקלות את התזמון, המתח או את רמות הזרם. היכולת לתכנת את מאפייני מעגל דחיפת טרנזיסטור MOSFET מאפשרת להגיב במהירות לדרישות משתנות ולהימנע מסבבי תכנון חוזרים של המעגל. לדוגמה, אם יש צורך לשנות את קצב שינוי מתח השער של טרנזיסטור MOSFET מפני שנדרש לכבות את אחד המתחים במהירות גבוהה יותר מאשר את המתח האחר, אפשר לבצע זאת בקלות על ידי תכנות פשוט של קצב שינוי חדש. מעגלי דחיפה אלו של טרנזיסטור MOSFET במתח גבוה הם גם רב שימושיים ויכולים לבצע בקרה של פונקציות אחרות כגון החלפה תחת מתח, פונקציה של חיבור ספקי מתח בתצורת OR, או אספקת מתח למעגלים חיצוניים. גמישות זו מקטינה את הצורך ברכיבים נוספים ומפחיתה עלויות.
כמו כן, שתי פונקציות חשובות אלו פועלות יחד כדי לפשט חלקים של התכנון. למשל, בלוק הניטור (Monitor) יכול לשמש לביצוע חישה של זרם יתר באירועים של החלפה תחת מתח, ולאחר מכן, מעגל הדחיפה של טרנזיסטור MOSFET יכול לשמש כדי לבקר את השער של טרנזיסטור MOSFET ולשמור אותו בתוך אזור הפעולה הבטוח (SOA). ייתכן שהפחתת העלויות לא תתאפשר בעת השימוש בהתקנים נפרדים מרובים, מפני שהאותות הנחוצים למימוש הפונקציות האלו יכולים לא להיות זמינים בפינים חיצוניים או שייתכן שיידרש להם חיבור מעגל נוסף.

דוגמת מימוש
תת מערכת cPCI Express לניהול ספקי כוח, שנוצרה בגישה מלמעלה למטה, מוצגת באיור 3. Power Manager II (התקן לניהול ספקי כוח) של Lattice הוא ליבת התכנון, אשר משלב בקרה של החלפה תחת מתח עבור קווי אספקת המתח של המעגל (באמצעות טרנזיסטורי MOSFET: Q5 עבור +3.3 וולט, Q4 עבור +5 וולט ו-Q1 עבור +12 וולט, דרך מעגל משאבת קבלים); מבצע ניטור של מתחים וזרמים לאיתור תקלות; יוצר רצף מתחים על המעגל (באמצעות מייצבי המתח של נקודת העומס – POL – ב–+1.8 וולט ו–+2.5 וולט), כדי שהאתחול של התקן FPGA, הזיכרון ובקר MCU יתבצעו בצורה נכונה; מבצע כיבוי של טרנזיסטורי MOSFET במצב של תקלה או של החלפה תחת מתח; וכן, מייצר אותות איפוס.
בלוק PLD שבתוך Power Manager II משמש כדי לחולל אותות בקרה שנדרשים לאפיק cPCI Express, אותות איפוס ברמת המעגל, אותות אתחול ואותות התרעה מוקדמת על תקלה. הוא מספק גם את בקרת התזמון והמשוב הנדרשים לביצוע בקרה של טרנזיסטורי MOSFET המשמשים בהחלפה תחת מתח, את אות האפשור על ספקי POL, בקרת ביטול ריטוטים, ניסיונות חוזרים, מתח יתר, זרם יתר והגנה מהירה (פחות מ-1 מיקרו שנייה) נגד קצר. התקן PLD מספק את לוגיקת הבקרה המרכזית שקושרת יחד את כל פונקציות ניהול ספקי הכוח, כדי להקטין באופן משמעותי את מורכבות התכנון, ובכך לשפר את האיכות ואת האמינות. אפשרות התכנות מאפשרת להשתמש, בשיתוף ובאופן יעיל, בפונקציות חומרה ולהפחית בכך את העלות. לבסוף, בלוק PLD מפחית את הסיכון לסבבי תכנון חוזרים של המעגל, מאחר שאפשר לשנות על פי הצורך את כל מאפייני ההתקן, התזמונים והבקרה החשובים.

גישה חדשנית לניהול ספקי כוח
התכנון שנוצר מתאים בקלות לכל הדרישות החשובות שפורטו קודם לכן, עבור תת מערכת לניהול ספקי כוח באפיק cPCI Express. ההתקן Power Manager II של Lattice פועל כבקר מהרמה העליונה ומספק תזמון ותיאום משולבים לניהול מודולי המשנה באופן נקי ויעיל. גישת התכנון הפונקציונלי מלמעלה למטה, המתאפשרת בזכות רמה גבוהה של אינטגרציה והאפשרות לתכנת את התקן ניהול ספקי הכוח, מספקת הפחתה משמעותית של העלות לכל פונקציה, משפרת את האיכות והאמינות, וכאשר נדרשים שינויים, היא מפחיתה באופן משמעותי את ההשפעה על לוחות הזמנים ומקטינה את הסיכון לסבבי תכנון חוזרים של המעגל.

מאת: Shyam Chandra, Lattice Semiconductor

הכתבה נמסרה באדיבות חברת פניקס טכנולוגיות – מפיצה של רכיבי Lattice