本发明涉及一种电源系统设计及控制方法，属于计算机领域，具体涉及一种便携机主板电源系统设计及控制方法。
背景技术：
1、便携式计算机(下文称“便携机”)具备重量轻、体积小、便于携带等诸多优点，且随着半导体技术、芯片技术、计算机技术等进一步发展和应用，便携机性能越来越高、功能越来越完善，在众多领域得到广泛应用。安全可靠的电源系统是便携机稳定高效工作的前提和保障。随着便携机性能的不断提高，其对电源系统也提出了更高的要求，电源系统呈现出电压种类多、电压值小、电流需求大、上电时序严格、稳定性要求高等趋势和要求，给电源系统的设计和控制管理带来了巨大挑战。
2、电源管理ic(pmic，power management ic)是一种实现便携机电源系统的有效方法，它是一种特殊的集成电路，可以提供电池管理、多档电压电流、动态电压调节、时序控制等功能。然而，高集成度、大电流、高功耗等特点给pmic前后级的电路设计、防护技术带来了一定的挑战，同时因为高度集成化，电源系统的容错能力有限。
3、对于采用多电源芯片组合方案的不同便携机电源系统，由于采用不同的cpu、桥片、接口转换等芯片，电源系统的电压、电流、控制时序需求不同，同时还需要考虑各个器件的电压电流余量，保障主板在各种复杂环境下可正常稳定运行，电源系统的设计方案和逻辑控制复杂多样，因余量不足、缺乏保护措施、电压合并不合理、逻辑控制不完善等因素导致的主板工作异常、器件烧毁或损坏、稳定性差等问题时常发生。在此情况下需要一种具有通用性、全面高效的电源系统设计方法步骤和逻辑控制流程指导电源系统方案的形成和确定，为主板电源系统的设计效率、稳定可靠运行、待机续航能力提供支撑。专利《电源系统》(申请号200910304949.x)、《一种电子设备的电源系统及控制方法》(申请号201540430108.9)、《一种计算机加固电源系统及其供电方法》(申请号201610170932.x)、专利《多电源系统及其上电时序控制方法》(申请号202011252169.8)均涉及到电源系统的实现及控制方法，大部分聚焦某个局部问题的解决，未涉及通用性的主板电源系统设计方法步骤和逻辑控制系统。
4、主板电源系统电压种类多、上下电时序严格，因逻辑控制不周全、冗余措施不足等因素导致的主板工作异常、器件烧毁或损坏、稳定性差等问题时常发生，准确、可靠、高效的管理配置和上下电逻辑控制是主板安全、稳定、可靠运行的前提和保障。随着芯片技术的发展，一些可编程的电源芯片在主板电源系统中得以广泛应用，电源系统不仅需要考虑准确可靠的上下电时序问题，还需考虑系统中相关配置芯片的配置和管理问题，同时需要考虑逻辑控制上的冗余保障。专利《上电控制方法、可编程逻辑器件及上电控制系统》(申请号202011481002.9)、《多电源系统及其上电时序控制方法》(申请号202011252169.8)、《一种电子设备的电源系统及控制方法》(申请号201540430108.9)专利均涉及到电源系统的控制方法，未涉及主板电源系统全流程的逻辑控制和保护，同时未提及冗余措施方面的内容。
5、为此，本发明探究基于多种分布式电源组合方式的电源系统方法。对于采用多电源芯片组合方案的不同便携机电源系统，电源系统的设计方案和逻辑控制复杂多样，因余量不足、逻辑控制不合理、冗余不够等导致的主板工作异常、器件烧毁或损坏、稳定性差等问题时常发生，同时在基于逻辑控制的安全防护方面措施较少。
技术实现思路
1、针对电源系统主板供电不足、开关机异常、异常掉电、运行不稳定等问题，提出了一种便携机主板电源系统及控制方法。
2、本发明的技术方案为：
3、一种便携计算机主板电源系统，包括防反插电路、过流过压保护电路、前置电压转换电路、充放电管理电路、低功耗控制电路、第一级转换电路、第二级转换电路、第三级转换电路、逻辑控制电路的全链电源系统；
4、适配器或电池的输入电压先经过由晶体管组成的防反插电路，防止因误反插导致主板短路和器件损坏风险；防反插电路的输出接入前置电压转换电路转换成充电芯片要求范围的输入电压，同时接入第一级转换电路作为电压源进行配置管理电路的工作电压转换；前置电压转换电路和电池防反插电路的输出接入由充电芯片构成的充放电管理电路，充放电管理电路实现适配器供电和电池供电的管理、切换和充放电控制；充电管理电路的输出接入由dc-dc转换芯片构成第二级转换电路实现前级电压转换，为前级功能电路及后续低电压转换提供电压；第三级转换电路由dc-dc和ldo转换芯片构成，以第二级转换电路的输出为输入，实现一些大电流、低电压的工作电压转换，为主板的功能电路提供各类工作电压；为了实现更高效的电源系统，通过由mcu构成的电压电流检测电路实现适配器、电池输入电压电流及充放电管理电路、第二级转换电路、第三级转换输出电压电流的实时监测和调控；通过由mcu和cpld组成的协同冗余逻辑控制电路为主板提供安全、稳定、可靠电源系统及管理；通过由二极管、三极管组成构成的低功耗控制电路及协同冗余逻辑控制电路实现主板低功耗控制；
5、协同冗余逻辑控制电路是指由mcu和cpld组成的协同逻辑控制电路，可为电源系统提供更加全面、安全、稳定、可靠的可容错配置管理和逻辑控制；在基于mcu和cpld的协同冗余控制电路中，mcu和cpld同时参与电源系统配置管理和关键逻辑控制，包括前置电压转换控制、各级电压转换控制、低功耗控制、充电芯片配置管理、其他芯片配置管理、特殊电压控制电路，特殊电压控制指涉及信息安全保护的存储电路自毁控制，其他芯片配置管理指需要提前配置的电源、接口转换相关器件；为了提供更高效的电源系统逻辑控制，基于mcu和cpld的功能特点进行逻辑控制任务的优先分配：相关芯片的配置管理即充放电管理电路和可配置电源芯片、电源系统健康状态监测、通信协议优先由mcu进行执行，电源系统的开关机响应、上下电时序控制、特殊电压控制优先cpld进行执行；mcu和cpld之间通过心跳包来判断对方是否运行于正常状态，当一方在约定的时间内未收到心跳包时，主动发起心跳获取指令，若三次心跳包请求均无应答，则接管另一方优先执行的任务，并向系统上传异常信息，为电源系统提供更加全面、可靠、安全的高容错配置管理和逻辑控制；
6、低功耗控制电路在物理电路方面包括pnp三极管q1和pnp三极管q2、稳压二极管、二极管q1和二极管q2、电阻r1～r8，输入电压包括充放电管理电路输出、前置电压转换电路输出，控制信号包括主板开关机信号、always电控制信号、always电源转换芯片使能信号；通过三极管、二极管、开关机信号和cpld逻辑控制实现关机状态下主板工作电路的控制，在只有电池供电下可实现关机后所有功能电路全部关闭，达到零电流消耗，等待到开机信号后再次按上电时序控制上电正常运行主板功能，提高主板的待机能力；
7、低功耗控制电路具体如下：
8、充放电管理电路的输出通过电阻r1输入低功耗控制电路；前置电压转换电路输出通过电阻r7输入低功耗控制电路；主板开关机信号、always电控制信号分别与二极管q1的负极d点和二极管q2负极e点连接；always电源转换芯片使能信号与pnp三极管q1的集电极b点连接，pnp三极管q1的基极与pnp三极管q2的集电极、二极管q1的正极、二极管q2的正极并联于c点，pnp三极管q1的发射极连接至信号地；电阻r1和r2串联后接入信号地，a点为电阻r2的分压点并通过稳压二极管进行稳压，b点、c点、d点、e点分别通过电阻r6、r5、r3、r4上拉至a点电位；pnp三极管q2的基极与电阻r7和r8并联于f点，pnp三极管q2的发射极与r8并联于g点并接入信号地。
9、一种便携计算机主板电源控制方法，用于所述的便携计算机主板电源系统，包括协同冗余逻辑控制电路控制方法、低功耗控制电路控制方法：
10、协同冗余逻辑控制电路是指由mcu和cpld组成的协同逻辑控制电路，可为电源系统提供更加全面、安全、稳定、可靠的可容错配置管理和逻辑控制；在基于mcu和cpld的协同冗余控制电路中，mcu和cpld同时参与电源系统配置管理和关键逻辑控制，包括前置电压转换控制、各级电压转换控制、低功耗控制、充电芯片配置管理、其他芯片配置管理、特殊电压控制电路，特殊电压控制指涉及信息安全保护的存储电路自毁控制，其他芯片配置管理指需要提前配置的电源、接口转换相关器件；为了提供更高效的电源系统逻辑控制，基于mcu和cpld的功能特点进行逻辑控制任务的优先分配：相关芯片的配置管理、电源系统健康状态监测、通信协议优先由mcu进行执行，电源系统的开关机响应、上下电时序控制、特殊电压控制优先cpld进行执行；mcu和cpld之间通过心跳包来判断对方是否运行于正常状态，当一方在约定的时间内未收到心跳包时，主动发起心跳获取指令，若三次心跳包请求均无应答，则接管另一方优先执行的任务，并向系统上传异常信息，为电源系统提供更加全面、可靠、安全的高容错配置管理和逻辑控制；
11、低功耗控制电路的具体实现方法和控制逻辑如下：
12、对于主板电源系统，正常情况下充放电管理电路输出电压一直存在，通过分压电阻r1、r2和稳压二极管将a点电压稳压在always电压转换芯片的使能电压范围内，并通过上拉电阻r3～r6将d、e、c、b点的电压上拉稳定至a点电压；
13、当适配器在位时，主板关机后由于前置电压转换电路输出一直存在使pnp三极管q2导通，c点电位拉至gnd，此时pnp三极管q1不导通，b点电位为高电平，主板的always电压转换芯片一直处于使能状态，保持主板always电压一直存在，可以随时响应主板开机检测和响应，此状态下主板只有always电产生较低的电流消耗；
14、当适配器不在位时，前置电压转换电路无输出电压，pnp三极管q2不导通，可以通过d和e点电位的高低控制pnp三极管q1的到导通状态；cpld接收到主板关机信号后按时序执行除always电外的其它电压域下电操作，下电操作完成后控制always电控制信号输出高电平使e点电位处于高电平状态，二极管q2不导通；标准关机触发信号为持续一定时间的高-低-高的脉冲，关机信号触发后d点的电压恢复为与e点一致的高电位，二极管q1不导通；在二极管q1和q2都不导通的情况下，c点电位为高电平，pnp三极管q1导通，always电使能信号接至信号地变为低电平，always电关闭，主板整个电源系统全部关闭，将适配器不在位时的关机状态电流消耗降为零；当主板关机状态下接收到开机信号低电平时，d点电位变为低电平，二极管q1导通，c点电位变为低电平,pnp三极管q1不导通，always电使能信号变为高电平使能always电转换芯片，always上电后cpld进入正常工作状态，并控制always电控制信号输出低电平，二极管q2导通，保证开机信号恢复至高电平时c点仍处于低电平状态，使always电使能信号一直处于高电平保持always电正常输出，之后主板进入正常的上电逻辑控制和运行。
15、本发明的有益效果在于：
16、本发明主要适用于采用多种分布电源组合方式的电源系统，为电源系统提供通用性的设计方法步骤、可容错配置管理和逻辑控制策略，实现更加全面、安全、稳定、可靠的电源系统，避免主板供电不足、开关机异常、异常掉电、运行不稳定等问题，同时通过低功耗控制策略实现主板更长时间的待机能力。
17、主板电源系统设计方法和步骤方面，提出了一种具有通用性的“需求分析、合并整理、选型确定、时序逻辑”四步设计方法，统筹考虑了电源系统电压电流需求、余量设计、合并处理、时序控制等因素，可提高主板电源系统设计的全面性和效率。电源系统配置管理和逻辑控制方面，提出一种基于mcu和cpld的协同冗余控制策略，基于mcu和cpld的功能特点进行逻辑控制任务的优先分配，并通过心跳包进行活跃判定和冗余控制切换，为电源系统提供更加全面、可靠、安全的可容错配置管理和逻辑控制。低功耗控制方面，通过双三极管、二极管、开关机信号和逻辑控制协同实现关机状态下工作电路的控制，在电池供电下可实现关机后零电流消耗，提高主板的待机能力。
1.一种便携计算机主板电源系统，其特征在于，包括防反插电路、过流过压保护电路、前置电压转换电路、充放电管理电路、低功耗控制电路、第一级转换电路、第二级转换电路、第三级转换电路、逻辑控制电路的全链电源系统；
2.一种便携计算机主板电源控制方法，其特征在于，用于如权利要求1所述的便携计算机主板电源系统，包括协同冗余逻辑控制电路控制方法、低功耗控制电路控制方法：
