一种基于 FPGA 的处理器电源管理架构设计

引 言

随着电子产品集成度越来越高，多处理器板卡得到了越来越多的应用设计，高性能的处理器对于电源有严格的要求。一般来说，各处理器本身就有电源时序要求，合作配合也有时序要求，同时还有相关监视要求。如何根据工程实际， 设计出更加高效的多处理器系统电源管理架构，是目前需要解决的重要问题之一。而有着“万能芯片”称号的 FPGA（Field-Programmable Gate Array）器件以其并行数据处理能力、灵活的时序及逻辑电路搭建方式而被广泛应用于电源管理的设计当中 [1-3]。

针对这些需求，本文设计了一种采用 FPGA 器件为核心的通用电源管理模块，该模块可实现对处理器电源的上电、掉电、节能等全方位的控制需求。

1 架构基本设计

1.1 基本组成

本电源管理架构组成如图 1 所示。其主要由输入电源监视单元、稳压供电单元、FPG 单元、开关电源和输出电源监视单元组成。

1.2 主要实施步骤

(1) 外部电源经输入电源监视单元为两个以上的开关电源供电，开关电源输出两路以上的电源为处理器供电 ；

(2) 输入电源监视单元输出的电源信号经稳压供电单元为可编程逻辑单元提供电源 ；

(3) 输入电源监视单元对外部输入的电源状态进行监视，输出电源监视单元对开关电源输出的电源进行监视 ；

(4) 可编程逻辑单元接收并根据输入电源监视单元、输出电源监视单元、开关电源的状态信息对开关电源进行控制。

2 实例基本设计

2.1 实例基本结构组成

一种处理器多电源管理模块的结构，如图 2 所示。包括滤波模块、输入电源健康监视模块、储能模块、LDO 稳压模块、现场可编程逻辑器件、微调控制器、开关电源 1、开关电源 2、输出电源健康监视模块和处理器 [4-6]。

2.2 实例主要功能设计

（1）微调控制器 ：现场可编程逻辑器件稳定运行后，先向微调控制器发出初始控制脉冲，使得微调处理器控制开关电源发出处理器需要的稳态电压，微调处理器对开关电源输出的电源进行监视。当处理器正常运行后，微调控制器将开关电源的控制权交由处理器管理，处理器根据自身负载的动态需求进行内核电压的动态微调 [7]。

（2）滤波模块和储能模块 ：外部的直流电源经滤波模块处理后，由输入电源健康监视模块输出至储能模块。储能模块分别为 LDO稳压模块、开关电源、微调控制器提供输入电源，储能模块用于外部电源关断后，保证处理器的电源仍维持短时间工作 [8]。

（3）输入电源健康监视模块 ：监视外部电源的电压和电流状态，并将外部电源过压、欠压、掉电、过流状态信息传送至现场可编程逻辑器件。开关电源的芯片正常状态传送至现场可编程逻辑器件 [9]。

（4）输出电源健康监视模块 ：监视开关电源输出至处理器的电压状态信息，电压状态信号包括处理器核心电源的过压、欠压状态，以及处理器的 I/O电源欠压状态，输出电源健康监视模块将电压状态信息传送至现场可编程逻辑器件。

（5）现场可编程逻辑器件 ：其稳定运行后能按照上电的正序依次控制各个开关电源的使能，从而能依次管理上电时序来满足处理器的要求。现场可编程逻辑器件根据来自于输入电源健康监视模块的掉电信息、各个开关电源的芯片正常状态和输出电源健康监视模块的状态信息进行综合判断，若判断为故障，现场可编程逻辑器件按照上电的反序，依次控制各个开关电源的使能，从而能依次管理掉电时序来满足处理器的要求 [10]。

3 结语

该处理器电源管理架构能够达到技术效果如下 ：

（1）能够保证各种电源上电、掉电时序满足要求，实现了对各电压的欠压监视，核心电压的过、欠压监视以及核心电压进行动态微调，实现了对系统输入电压的过、欠压监视， 过流监视 ；

（2）采用可编程逻辑单元进行电源管理控制，可编程逻辑单元接口丰富、编程方便，本设计具备极强的可扩展性和通用性，充分实现了处理器系统的复杂电源管理 ；

（3）根据处理器负载动态调整，能有效延长处理器使用寿命，通过对各电源健康状态的统一采集，有效保证了状态信息清晰可追溯。