CN111596749B - 一种pcie卡通用供电及电源管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PCIE卡通用供电及电源管理方法，其硬件架构包括多输入的多相DCDC变换器电源和多功能电源管理模块，将PCIE卡不同连接器上的12V电源接到多相DCDC变换器电源的不同相位上输出，合并输出一路电源；多功能电源管理模块对PCIE卡的所有电源进行监控和管理，并控制后级供电单元的使能。轻载时，电源对应的输出相每一相中的电流均小于5.5A，并保持各相输出电流均等；重载时，金手指插座的12V电源所在电路的输出电流小于5.5A，其他两路电源均流，同时电流小于6.25A。本发明将PCIE卡的多种输入电源整合管理，提供一种通用供电管理方案，可大大缩短设计周期，降低设计复杂度，并解决了无法满足多路大功率电源需求的问题。

Description

一种PCIE卡通用供电及电源管理方法

技术领域

本发明公开了一种PCIE卡通用供电及电源管理方法，涉及PCIE卡设计技术领域。

背景技术

随着大数据、云计算的时代的到来，各类PCIE(peripheral componentinterconnect express，一种高速串行计算机扩展总线标准)卡越来越多的应用于服务器等设备上。这种以PCIE接口的形式插入服务器主板，从而实现特定功能的应用成为了趋势，其优势在于可通过PCIE金手指，直接插入台式机或服务器的PCIE插槽中调试使用，简易灵活，开发成本低。而服务器的PCIE接口采用高速串行点对点双通道高带宽传输，这些板卡往往专注于处理一件事，就是释放CPU的越来越重的压力。

现有的PCIE接口在PCI-SIG制定的标准中是有明确规范的，对于电源PCIE卡支持电源级别有25W(Lowprofilecard)，75W(standardsize)，150W，225W和300W。对于X8和X16的PCIE插槽最高支持电源功率一般是75W(可以支持热插拔)，当需要用到150W，225W和300W电源的PCIE卡时是需要外接电源的(一般不支持热插拔)。PCIE的主要功率提供电源中，金手指的12V具有66W的额定功率，2*3辅助电源插座的额定功率为75W，2*4辅助电源插座的额定功率为150W。在《PCI Express CardElectromechanicalSpecification》规范手册中明确说明，不同连接器上的12V不能直接并联使用，这将严重限制大功率芯片的使用。

在进行PCIE卡供电设计时，尤其当板卡功耗较高时，现阶段还没有一个最优的常用方案被业内所认可和广泛使用。快速迭代的产品以及芯片，对电源的需求越来越高，由于PCIE卡电源输入的复杂性，需要将大功率电源合理分配到不同的电源轨道，这大大增加了设计复杂度。对于一些特殊的需求，例如当存在两路以上电源功耗需求均大于75W时，直接使用PCIE卡的输入电源将无法满足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种PCIE卡通用供电及电源管理方法，以解决现有技术中高功耗板卡的供电设计灵活性低以及无法满足多路高功率(大于75W)电源需求的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种PCIE卡通用供电及电源管理方法，所述方法的硬件架构包括一个多输入的多相DCDC变换器电源和一个多功能电源管理模块，将PCIE卡不同连接器上的12V电源接到多相DCDC变换器电源的不同相位上，合并输出一路电源；所述的多功能电源管理模块对PCIE卡的所有电源进行监控和管理，并控制后级供电单元的使能，所述后级供电单元的输出端与多功能电源管理模块的模拟输入端相连接。

PCIE卡的12V电源包括三类：金手指插座的12V电源、2*3辅助电源插座的12V电源和2*4辅助电源插座的12V电源，所述方法在电流均衡设计的基础上对不同的输出相分别设计限流参数，上述三种电源对应的输出相数分别是：一相、一相和两相；对应的额定电流分别是5.5A、6.25A和12.5A。

轻载时，使得电源对应的输出相每一相中的电流均小于5.5A，并保持各相输出电流均衡；重载时，使得金手指插座的12V电源所在电路的输出电流小于5.5A，其他两路电源电流均衡，同时电流小于6.25A。

作为本发明的进一步优选方案，所述方法还包括：对应不同的功率需求切换不同的输出模式，在功率动态变化时，进行切相或者增相操作，当功率小于66W时，将金手指插座一路的12V电源输出；当功率大于66W小于141W时候，将金手指插座和2*3辅助电源插座的12V电源输出，或者，将2*4辅助电源插座的12V电源输。

作为本发明的进一步优选方案，所述多功能电源管理模块为逻辑器件、MCU或者集成专用的电源管理IC。所述多功能电源管理模块通过代码编程实现的功能包括：多路使能管脚，控制上电时序以及主芯片的初始化流程；多路模拟和数字输入管脚，监控模拟电压或者PG等数字信号；IIC的主机，获取各种支持IIC协议的外设；IIC从机，与CPU通信。

作为本发明的进一步优选方案，轻载时，根据各相反馈的电流动态调节PWM的占空比，保证各相中电流的均衡。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明将PCIE多路12V整合管理，最终只输出一路总电源，配合成熟的电源管理模块，将大大简化PCIE卡电源设计，缩短设计周期，尤其解决了无法满足多路高功率(大于75W)需求的问题。

附图说明

图1是本发明中多输入多相降压DCDC转换器简易功能框图。

图2是本发明一个实施例中的多输入多相降压DCDC转换器中PowerStage简易功能框图。

图3是是本发明一个实施例中的多输入多相降压DCDC转换器中Switch的简易功能框图。

图4是本发明一个实施例中的多输入多相降压DCDC转换器中PWM控制器在轻载时的波形图。

图5是本发明一个实施例中的多输入多相降压DCDC转换器中PWM控制器在重载时的波形图。

图6是本发明一个实施例中使用MAX10作为电源管理模块的简易功能框图。

图7是本发明的电路模块结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

表1为现有规范要求中PCIE卡的电源分布以及额定功率表格。

PCIE的主要功率提供电源中，金手指的12V电源具有66W的额定功率，2*3辅助电源插座的额定功率为75W，2*4辅助电源插座的额定功率为150W。在《PCI Express CardElectromechanicalSpecification》规范手册中明确说明，不同连接器上的12V不能直接并联使用，这将严重限制大功率芯片的使用。

本发明的电路模块结构示意图如图7所示，所述PCIE卡通用供电及电源管理方法对应的硬件架构包括一个多输入的多相DCDC变换器电源和一个多功能电源管理模块，借鉴正常的多相DCDC变换器电源的思路，将PCIE卡不同连接器上的12V电源接到多相电源的不同相位上输出，合并输出一路电源，方便后级供电单元设计。

所述的多功能电源管理模块完成PCIE卡的所有电源监控和管理功能，后级供电单元的使能由管理模块控制，供电单元的输出接入电源管理模块的模拟输入，用于实时监控，同时提供多种低速接口，方便与系统协调工作。PCIE开的三类12V电源经过保护之后，接入多输入的DCDC变换器电源，合并成一路电源输出，给后级所有供电单元使用；后级供电管理单元的使能，由电源管理模块中的PWR_ENOUTPUT管理，从而控制后级供电单元的上下电。后级供电单元的输出，接入电源管理模块中的ADC_INPUT，实时监控供电单元的状态。

与普通的多相DCDC转换器相比，本发明中设计的多输入的DCDC变换器电源有三个明显不同点：

首先需要监控的输入电源由原先的一路变成了多路，PCIE卡的12V电源可以分为三类：金手指插座上的12V、2*3辅助电源插座的12V和2*4辅助电源插座的12V，需要对不同连接器上的电源分别监控，从而将输入的波动反馈到对应输出相。

其次是在电流均衡设计的基础上，还需要对不同的输出相分别设计限流参数。具体来说，上述的三类电源分别对应的输出相数是：一相、一相和两相。这是根据PCIE卡规范中的额定电流来设计的，金手指插座的额定电流是5.5A，2*3辅助电源插座的额定电流是6.25A，2*4辅助电源插座的额定电源是12.5A，因此金手指插座对应输出相的限流参数是5.5A，而其他输出相的限流参数均为6.25A。

轻载时，每一相中的电流均小于5.5A，此时保持各相输出电流均等。重载时，保证金手指插座那一路的输出电流小于5.5A，其他电源尽量电流均衡，同时小于6.25A。这种情况下，各相之间的电流差最大为0.75A，各相之间的功率差值也不会很大，合理选择MOS和电感的情况下，不会影响系统稳定性。

最后的区别就是对应不同的功率需求可以灵活切换输出模式，例如功率小于66W时，可选择将金手指一路12V直接输出；功率大于66W小于141W时候，可以选择将金手指和2*3辅助电源插座电源输出，或者将2*4辅助电源插座电源输出等等。而且在功率动态变化时，可以灵活切相或者增相，保证更高效率的输出。

本发明中，所述的电源管理方法即一个多功能的电源管理模块，该模块可以是逻辑器件、MCU或是集成专用的电源管理IC。该模块具有多种功能，包括多路使能管脚，方便控制上电时序以及主芯片的初始化流程；多路模拟和数字输入管脚，既可以监控模拟电压，也可以监控PG等数字信号；一个IIC的主机，可以获取各种支持IIC协议的外设，例如DCDC芯片，温度传感器等；一个IIC从机，可以跟CPU通信，方便CPU的监控，等等功能。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图1中为一个三输入的四相降压型DCDC简易功能框图，如图中所示输入电源分别为：PCIE_SLOT_12V表示金手指输入的12V、PCIE_2X3_12V表示2*3插座的12V电源以及PCIE_2X4_12V表示2*4辅助电源插座的12V电源，在PWM控制器的操作下，输出电压范围在5V～10V。该设计可以根据功耗需求，合理切换各种工作模式。例如在功率需求低于66W模式下，可以根据后级DCDC的输入范围，选择直接打开Switch，输出12V。

如图3所示，为Switch的简易功能框图，此时唯一损耗是两个NMOS管，导通电阻可以控制在1mΩ以下。

也可以选择使用PowerStage1降压输出，如图2所示，为一个降压型PowerStage的简易功能框图，根据实际的需求，利用多个PowerStage组合输出，保证效率基本在90％以上。

图4和图5所示为四相同时工作时，四路PWM输出的波形，轻载输出时，四路PWM波错相输出，根据各相反馈的电流动态调节PWM的占空比，保证各相中电流的均衡；在满载输出时，由于PCIE_SLOT_12V电源限流5.5A，而其他相中限流为6.25A，可见PWM1～PWM3的波形占空比大于PWM4波形，这就是分开限流的结果。最终在MOS管和电感上的功率差，不会超过5.25W，在合理选择器件的情况下，不会影响系统稳定性。

图6为使用MAX10作为电源管理模块的功能框图，利用其自带的12位ADC可以实时监控电压，对应电源多的情况，可以使用多选一模拟开关，增加监控通道；使用Verilog编写逻辑，可以灵活的控制各电源的上电时序；同时模拟IIC接口监控外设以及和CPU通信。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种PCIE卡通用供电及电源管理方法，其特征在于：所述方法的硬件架构包括一个多输入的多相DCDC变换器电源和一个多功能电源管理模块，将PCIE卡不同连接器上的12V电源接到多相DCDC变换器电源的不同相位上，合并输出一路电源；

所述的多功能电源管理模块对PCIE卡的所有电源进行监控和管理，并控制后级供电单元的使能，所述后级供电单元的输出端与多功能电源管理模块的模拟输入端相连接；

PCIE卡的12V电源包括三类：金手指插座的12V电源、2*3辅助电源插座的12V电源和2*4辅助电源插座的12V电源，所述方法在电流均衡电流均衡设计的基础上对不同的输出相分别设计限流参数，上述三种电源对应的输出相数分别是：一相、一相和两相；对应的额定电流分别是5.5A、6.25A和12.5A；

轻载时，使得电源对应的输出相每一相中的电流均小于5.5A，并保持各相输出电流均衡；重载时，使得金手指插座的12V电源所在电路的输出电流小于5.5A，其他两路电源电流均衡，同时电流小于6.25A。

2.如权利要求1所述的一种PCIE卡通用供电及电源管理方法，其特征在于，所述方法还包括：对应不同的功率需求切换不同的输出模式，在功率动态变化时，进行切相或者增相操作，当功率小于66W时，将金手指插座一路的12V电源输出；

当功率大于66W小于141W时候，将金手指插座和2*3辅助电源插座的12V电源输出，或者，将2*4辅助电源插座的12V电源输。

3.如权利要求1所述的一种PCIE卡通用供电及电源管理方法，其特征在于：所述多功能电源管理模块为逻辑器件、MCU或者集成专用的电源管理IC。

4.如权利要求3所述的一种PCIE卡通用供电及电源管理方法，其特征在于，所述多功能电源管理模块通过代码编程实现的功能包括：

多路使能管脚，控制上电时序以及主芯片的初始化流程；

多路模拟和数字输入管脚，监控模拟电压；

IIC的主机，获取各种支持IIC协议的外设；

IIC从机，与CPU通信。

5.如权利要求1所述的一种PCIE卡通用供电及电源管理方法，其特征在于：轻载时，根据各相反馈的电流动态调节PWM的占空比，保证各相中电流的均衡。

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