革命性的硬件管理解決方案

萊迪思半導體

一塊電路板大體上可以被認為由兩個功能塊組成——負載管理（Payload Management）和硬件管理（Hardware Management）。通常情況下，負載管理部分占整個電路板的80%至90%，如數據/控制平臺和/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/內務處理。盡管硬件管理部分僅占電路板的10%至20%，但針對這個部分的設計和調試所需的時間占整個開發周期相當大的比重（30%至40%）。萊迪思的LPTM21 PlatformManager 2和L-ASC10（ASC：模擬傳感和控制）電路可簡化硬件管理部分的開發，不僅可將開發時間縮短為原來的一半，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。

硬件管理的實現和挑戰

過去，系統設計工程師使用電源管理電路來實現電源定序、監控、微調和裕度。控制/內務處理功能，包括復位分配、電平轉換、JTAG鏈管理以及其他電路板級的膠合邏輯，常使用板上CPLD實現。溫度管理功能，如溫度監控和風扇控制，常常集成在板上微控制器固件中。微控制器也常用來實現系統級的功能，如故障記錄、系統接口、電源控制、管理協議以及其他系統接口功能。

傳統的系統設計方法的缺點

1.在設計和調試上耗費更多精力，拖慢產品上市進程

設計工程師常常會簡單地復制上一版電路板的硬件管理部分設計，而新的電路板的負載硬件管理功能常常需要不同的電源、溫度、控制/內務處理功能支持。在很多情況中，設計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，設計工程師探索了不同的方式以通過現有的CPLD利或微控制器實現新的電源和溫度控制功能。而往往這些方法都無法提供最可靠的解決方案。

舉個例子，如果使用微控制器構建電源管理功能，要想實現電源故障的快速系統響應以滿足硬件需求，就要讓固件以更高的頻率監控每個電源電壓。這種方法也可能縮短微控制器對其他功能的響應時間，如管理協議和響應。此時，系統設計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增加的電源管理工作量。這可能要重新分配兩個設計團隊（硬件、固件等等）的任務，并花更多的時間去設計。

基于微控制器的硬件管理功能還有另外一個缺點，就是無法仿真。所以只能使用電路板設計原型進行測試，硬件管理算法錯誤的測試覆蓋率低，增加了系統調試時間。

綜上所述，非最優的硬件/固件劃分（迫于用來實現硬件管理功能的器件限制）會增加硬件管理部分電路設計的復雜性，導致設計和調試用時的大幅增加。

2.新的設計很難擴展/復制已有的硬件管理設計

設計工程師傾向于在電路板的新版設計中套用已有的硬件管理設計。這很困難，因為新版電路板上的負載電路需要新的硬件管理功能，和舊版的不同。這就需要設計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監控電源電壓或器件溫度。我們不提倡更改固件，因為簡單地套用已有的設計會導致未來產生更復雜的維護問題。隨著電路板設計越來越復雜（電源數量增加、更多電源定序算法、需要監控其他器件溫度等等），設計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，非最優的硬件/固件劃分將迫使設計工程師定制硬件/固件解決方案并使用分立的器件來滿足電路板的特定硬件管理功能。此外，并沒有單一標準化的方案能夠用于各類簡單和復雜的電路板。

3.增加BOM和成本

針對各種不同的電路板采用不同的電路組合會增加現有系統中使用的電路數量，從而導致BOM的增加。由于很多電路僅用于某些電路板，元器件部門就無法獲得大批量購買的價格優勢，這將導致系統整體成本的增加。

傳統的硬件管理解決方案使得硬件管理設計更加復雜。這些設計很難去擴展、要花更多時間去設計/調試、需要更多電路，還會導致系統解決方案變得更加昂貴。

下文將描述一種不同的系統設計方式，能夠非常靈活地進行調整和擴展，并使用PLD來實現硬件管理算法。該方法簡化了固件實現，縮短了設計/調試時間，增強了電路板級/系統級的可靠性，還縮減了元器件BOM和系統總成本。

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）器件集成了電壓監控（10通道）、電源電流監控（2通道）以及器件/電路板溫度監控（3通道）。ASC還可通過片上ADC測量電壓、電流和溫度。同時采用ASC和MachXO2/3（取代傳統解決方案中的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現完整的硬件管理功能，還可滿足部分系統板的硬件管理需求。

設計工程師可使用PowerAssist（電子制表軟件）和Lattice Diamond軟件進行硬件管理功能設計。這些工具能將數天的設計用時縮短為數小時。此外，設計工程師還可使用PowerDebug工具對采用萊迪思硬件管理解決方案的電路板進行調試。

萊迪思的硬件管理解決方案、設計軟件和調試工具彌補了傳統硬件管理設計的短板，可以說這是真正的可“復制”的解決方案。下文將說明萊迪思的硬件管理解決方案如何取代傳統的硬件管理設計方法。

可選的硬件管理實現方案

萊迪思提供兩種方案，可用于實現圖2中電路板所需的硬件管理功能。

方案1：同時采用L-ASC10（硬件管理擴展器）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數小于100、LUT數量大約為1000的CPLD，設計工程師可使用單芯片的LPTM21 Platform Manager 2器件來實現該電路板的硬件管理功能。

在方案1中，同時采用ASC和MachXO2/3器件集成電路板上的硬件管理功能。MachXO2/3器件內的算法可通過L-ASC10器件監控電壓、電源電流和溫度的狀態以及電源定序。MachXO2/3器件還能控制安裝在芯片上或盒內的風扇。該解決方案是可擴展的。舉個例子，通過添加兩個ASC器件來輔助MachXO2/3器件，即可實現支持高達20個電壓的電路板硬件管理功能。一般而言，硬件管理功能設計中可通過添加8個ASC器件來輔助MachXO2/3，最高可支持80個電壓。使用大小合適的MachXO2/3器件即可滿足硬件管理設計的邏輯和I/O需求。萊迪思提供256到9400 LUT、I/O數從18到384MachXO2/3器件。復雜的設計能夠得益于該解決方案采用的相同設計和調試環境而實現標準化。下文將為您詳細介紹ASC器件的功能。

在方案2中，基于單個Platform Manager 2器件的硬件管理解決方案最多可支持10個電源電壓。如果系統設計中包含更多電源，可添加ASC器件以輔助Platform Manager 2器件。設計工程師為LPTM21 Platform Manager 2添加額外的3個ASC器件即可管理多達40個電源電壓。

萊迪思硬件管理解決方案的優勢

顯著縮短硬件管理功能的設計/調試用時：萊迪思的ASC和MachXO2/3器件能夠很方便地實現硬件管理功能設計。因為該解決方案可無縫擴展，設計工程師能夠輕松地套用之前電路板上的相關設計，并使用MachXO2/3器件實現電路板所需的特定功能。微控制器固件可專注于執行更高層的系統級功能。MachXO2/3器件可實現所有底層、實時、電路板所需的特定硬件管理功能。

舉個例子，固件在發出一個“負載上電”的指令時，無需知曉電路板上的電源數量。該指令普遍適用于系統內的所有電路板。固件可專注于實現更高層的系統功能，在大多數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，可減少固件設計用時。

另一個導致硬件管理設計時間增加的原因是電源管理。電源管理設計常常通過使用來自不同供應商的電源管理器件、分別配套的GUI設計軟件和/或模擬分立電路實現。在大多數情況中，基于GUI的軟件會默認由一個器件監控所有的電源時序（DC-DC轉換器）。但往往受制于成本或其他原因，無法監控所有的電源時序。設計工程師不得不采用其他方法來實現。對于上電和斷電時序的需求使得電源管理電路設計更加復雜，最終導致開發時間的增加。萊迪思的解決方案簡化了電源管理電路設計，使用電子制表工具（PowerAssist）來實現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，因為工具會按照電源管理參數自動生成算法。使用PowerAssist工具可將原先數天的設計時間縮短到數小時。

控制/內務處理和溫度管理功能可通過設計工具HDL以類似的方法實現。該設計工具能夠導人電源管理設計并僅需一條指令即可將其添加到控制/內務處理和溫度管理設計中。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的硬件/固件劃分方案，使用硬件（MachXO2/3）實現所有的實時硬件管理功能，并使用固件實現更高層、時序要求較低的功能（外部微控制器）。

設計工程師可使用Diamond軟件對采用MachXO2/3和ASC器件的設計進行功能仿真，確保硬件管理功能在真正下載到電路板之前是經過驗證的。這能夠提升首次成功率并減少調試用時。

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

可靠性增強：電路板上的硬件管理功能就好比是神經系統，精確的故障偵測加上更快的響應時間可確保系統的可靠性。在ASC器件的輔助下，使用MachXO2/3器件實現的硬件管理算法可同時監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，故障響應時間小于100μs。

遲緩的故障響應會引起電路板其他部分的連鎖故障。舉個例子，如果DDR存儲器的電壓低于規定值而處理器沒有立即復位，處理器就會從存儲器讀取到錯誤的指令并跳轉到不可預知行為，引起閃存訛誤或錯誤的數據包傳輸。在排查處理器錯誤執行代碼的情況時幾乎不可能聯系到DDR存儲器電源電壓過低的問題。采用MachXO2/3和ASC器件組合的解決方案可通過精確監控電源電壓并快速產生復位信號，最大程度減少連鎖故障的發生。電源中斷故障將被記錄在非易失性存儲器的故障日志中，以便于之后的調試。

縮減BOM并降低成本：Platform Manger 2和ASC器件集成大多數常用的系統級電壓、電流和溫度監控功能，無需其他電壓和溫度監控電路，能夠方便地實現所有硬件管理功能，全面支持電路板上的各類元器件，可減少系統中使用的電路板數量。得益于該解決方案的可擴展特性，無論簡單或復雜電路板的系統總成本得以降低。

模擬傳感和控制（L-ASC10）器件架構

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

DAC可用于電源的微調和裕度，并可實現VID（電壓識別數字信號）——使用數字代碼控制電源電壓，以及電壓縮放等功能。MOSFET驅動器可用于將一個電源電壓分配至多個位置，以滿足器件的電源定序要求，而且無需使用額外的DC-DC轉換器。

Platform Manager 2的架構細節

Platform Manager 2和ASC器件的模擬功能塊是完全一樣的。片上1200 LUT FPGA用于實現硬件管理算法。故障日志功能包含1個非易失性存儲器，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器件通過一條8Mbps串行鏈路將電源電壓、電源電流和溫度狀態數據發送至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，實現支持包含10到80個電源電壓的硬件管理功能。

適用于簡單和復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實現。

應用：使用MachXO2和ASC器件實現標準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測量電壓、電流和溫度的狀態，并通過一條串行總線將狀態數據傳輸到MachXO2器件。使用MachXO2器件中的算法根據這些狀態數據執行電源管理、溫度管理和部分控制/內務處理功能。MachXO2器件通過該串行總線控制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器件可用于擴展電源管理算法。外部微控制器可通過12C總線測量電壓、電流和溫度數據。還能通過12C總線，或借助MachXO2器件實現的通信IP通過任何硬件總線來控制硬件管理算法。

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上的設計。此外，這些功能還能用軟IP實現并按需使用，工程師完全可以按照電路板所需的功能來選擇大小合適的MachXO2/3器件，并根據板上所需的I/O數量來選擇何種封裝的MachXO2/3器件。