Plattformmanagement: Damit soll der Anwender die Grundlage in die Hand bekommen, in einem programmierbaren Baustein mehr als nur das Powermanagement zu verwirklichen. „Dieser Ansatz ergibt eine kosten-günstige und sehr flexible Lösung für Aufgaben, die über das einfache Ein- und Ausschalten sowie Überwachen von Spannungen hinausgehen“, erklärt Joachim Müller, Staff Field Applications Engineer von Lattice Semiconductor am deutschen Standort Hallbergmoos bei München. Anwenden lässt sich die Entwicklung in vielen Bereichen – angefangen von Industriesteuerungen über Medizinelektronik, Networking, Computing bis hin zu Wireless-Base-Stations und anderen Telekommunikationsanlagen.
Wie sieht nun der Aufbau aus? Die Basis für das Produkt bildet Lattice‘ Mixed-Signal-Familie Power-Manager. Die Power-Manager unterstützen in verschiedenen Varianten mit analogen und digitalen Blöcken jeweils eine Auswahl der folgenden Funktionen:

  • Analoge Eingänge für die Spannungsüberwachung
  • Analog-Digital-Wandler für Spannungsmessung
  • Digitale Eingänge für Logiksignale
  • Integrierter Oszillator und Timer
  • CPLD als Sequence-Controller
  • I2C-Interface
  • DAC-Ausgänge für Trimming und Margining
  • Ausgänge zur Steuerung von Mosfets
  • Digitale Ausgänge

Im Bereich des Powermanagements hat sich die IC-Familie bereits in unterschiedlichen Applikationen bewährt. „Dort ergibt sich selbst bei geringen Anforderungen häufig ein Vorteil durch die reduzierte Anzahl an erforderlichen Bauelementen und die Programmierbarkeit“, betont Joachim Müller den Anwendernutzen. Wenn allerdings besondere Aufgaben hinzukommen, beispielsweise die Integration von Systemschnittstellen, Reset-Distribution oder Fehleraufzeichnung in einem nicht-flüchtigen Speicher, sind die CPLD-Logikressourcen der Power-Manager unter Umständen zu knapp bemessen.

Das Plus an digitaler Logik

An diesem Punkt setzen Lattice‘ Platform-Manager-Produkte an. Neben den oben genannten Fähigkeiten integrieren die Bausteine ein kleines FPGA, das über zusätzliche Logik-Ressourcen sowie weitere digitale Ein- und Ausgänge zur Verfügung stellt. Abhängig von der Gehäuse-Auswahl ergeben sich diverse digitale Ein- und Ausgänge wie auch differenziell oder single-ended ausgeführte analoge Eingänge. Wie sieht das Ganze nun im Detail aus? Das links oben abgebildete Beispiel dient dazu, die Möglichkeiten und Eigenschaften der Lattice-Platform-Manager näher zu beschreiben: Auf einer Baugruppe lassen sich aus der externen 12-Volt-Versorgung fünf verschiedene Spannungen mit Hilfe von DC/DC-Wandlern erzeugen. Jede dieser Stromversorgungen wird einerseits mit einem eigenen Enable-Signal gesteuert und jede einzelne Spannung wiederum zur Überwachung an einen Analogeingang geführt. Der Strom in der 12-Volt-Zuleitung wird durch Strom-Spannungswandlung ebenso überwacht wie die Spannung selbst, die durch einen Spannungsteiler auf den zulässigen Eingangsspannungsbereich abgebildet wird. Die externe Schaltung mit Transistor und Zener-Diode stellt die Versorgung des Platform-Managers her.

Über einen analogen Trim-Margin-Control-Ausgang kann in diesem Beispiel eine Spannung vom Prozessor in Abhängigkeit des Betriebszustands variieren. So lässt sich nämlich dynamisch die Spannung für Volllastbetrieb heraufsetzen und dann herabsetzen, um die Verlustleistung bei niedriger Anforderung an die CPU-Leistung zu senken. Das ist auch der Übergang zum digitalen Teil, denn hierfür erfolgt die Ansteuerung über die VID-Eingänge.

Clever kombinieren

Über ein Interface hat der Prozessor Zugriff auf externe Temperatur-Monitore, eine I2C- oder SPI-Erweiterung und ein externes SPI-Flash. Diese Funktionen nutzt allerdings auch der FPGA-Teil des Platform-Managers selbst. Vorteile: Die CPU wird durch ständige, autarke Temperaturauswertung entlastet und greift nur im Ausnahmefall ein. Fehlerzustände lassen sich in einem Logbuch im SPI-Flash nicht-flüchtig speichern. Die CPU kann die Daten auslesen. Darüber hinaus ist eine Reset-Verteilung im FPGA-Teil vorgesehen, die das Zurücksetzen einzelner Schaltungs- oder Bauteile zulässt. Auch hier ist eine Kombination aus fest programmierter interner Logik – zum Beispiel abhängig von den Spannungsmonitoren – und registergesteuerten Funktionen durch die CPU-Software möglich.

Damit der Anwender die Platform-Manager kennenlernen und sich selbst von allen Pluspunkten überzeugen kann, stellen die Amerikaner aus dem Bundesstaat Oregon ein Development-Kit zur Verfügung. Dieses ist neben diversen kostenlosen Referenz-Designs auf der Lattice-Homepage downloadbar.

Entwurf und Programmierung betrachten

Lösungen auf Basis der Platform-Manager werden mit den Software-Paketen PAC-Designer und ISP-Lever von Lattice Semiconductor entwickelt. Diese kostenlosen Pakete arbeiten Hand in Hand bei der Funktionsbeschreibung sowie deren Simulation und Übersetzung in die Programmierdaten. Die Programmierdaten wiederum lassen sich vom Entwickler und später in der Produktion über das Jtag-Interface in den Baustein übertragen. Ein programmierter Baustein speichert die Konfiguration nicht-flüchtig in EEPROM oder in Flash-Zellen. Bei Bedarf kann die Konfiguration elektrisch gelöscht und erneut programmiert werden, zum Beispiel wenn es notwendig ist, eine Einschaltsequenz, eine Resetfunktion oder auch eine Schaltschwelle der Spannungsmonitore nachträglich zu ändern.

Fazit:

Durch die Integration von programmierbaren Analog- und Logikfunktionen lassen sich Support-Funktionen – beispielsweise Powermanagement, Digital-Housekeeping oder Glue-Logik – in einem Baustein kombinieren. Dadurch kann der Anwender von bis zu um 50 Prozent reduzierten Kosten und kürzerer Entwicklungszeit profitieren.

Der Beitrag basiert auf Materialvorlagen von Joachim Müller, Lattice.

(eck)

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