人們對(duì)高效電源的需求和電子產(chǎn)品尺寸的減小，推動(dòng)著數(shù)字電源技術(shù)和功率管理技術(shù)的發(fā)展�，F(xiàn)代化的功率管理半導(dǎo)體已經(jīng)將功率開關(guān)與多個(gè)相關(guān)保護(hù)及控制電路集成在一起，來降低功率管理設(shè)備中的電路板占位面積，并實(shí)現(xiàn)了保護(hù)、控制與故障監(jiān)控等功能的組合。同時(shí)，數(shù)字化電源管理集成電路不滿足于僅有的電壓、電流、溫度等參數(shù)的檢測(cè)，逐步發(fā)展為集成了數(shù)字化PWM 控制、ADC和通信功能，并正在向著成為完整的電源片上系統(tǒng)的方向不斷發(fā)展。
1 數(shù)字化電源管理技術(shù)介紹及應(yīng)用
新一代集成電路需要3．3 V，1．8 V甚至更低的電源電壓，單個(gè)器件需要多路電壓供電，而且電流的需求很大，電壓也必須以正確的時(shí)序加到器件上。為這些器件供電的電壓必須在電路板上(最好在距離這些器件近的地方)產(chǎn)生，以使壓降最小和電壓穩(wěn)定。高性能的DC／DC轉(zhuǎn)換器適用于寬范圍輸入，既可作為隔離式電源，也可作為非隔離負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器。因此，大多數(shù)板載電源系統(tǒng)已經(jīng)采用DC／DC轉(zhuǎn)換模塊作為供電主體。但是，若缺少了電源管理電路，則無法構(gòu)建一個(gè)完整、健全的電源系統(tǒng)。電源管理的內(nèi)容包括：電源系統(tǒng)監(jiān)控、定序和跟蹤、監(jiān)視和失效保護(hù)。電源管理器件在輸入端處理共模抑制、起動(dòng)限制、起動(dòng)和關(guān)閉的控制，甚至功率因數(shù)校正等功能。配置在輸出端的電源管理器件控制啟動(dòng)定序和輸出電壓調(diào)節(jié)，并為過欠壓、過流情況提供相應(yīng)的失效保護(hù)。所有相關(guān)功能電路均要求與主電路隔離。圖1所示為在隔離型AC／DC變換器中電源管理器件的主要應(yīng)用。
專用的數(shù)字電源管理器件比通常采用的模擬電路或微控制器、可編程邏輯器件等方法在成本、開發(fā)周期和可靠性方面具有較大優(yōu)勢(shì)。新一代的數(shù)字電源管理器件內(nèi)部集成了能夠滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控需求的快速ADC，使它能比通用微控制器的片外ADC更快地反映失效。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過I C或PMBus總線傳輸給電源主控制器，用以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的調(diào)壓設(shè)置、故障保護(hù)等功能。內(nèi)部的時(shí)鐘可實(shí)現(xiàn)故障記錄。對(duì)于多路輸出的電源系統(tǒng)，數(shù)字電源主控制器實(shí)時(shí)地通過總線接口從各輸出端的管理器件內(nèi)讀出各路輸出的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)的全面監(jiān)視。一旦軟件設(shè)計(jì)通過，相同的源文件和配置文件可以用于該設(shè)計(jì)的所有產(chǎn)品，性能在單元之間是一致的，而模擬電路則會(huì)因元件本身差異導(dǎo)致性能不一。
傳統(tǒng)的，依靠模擬電路實(shí)覡電源管理，通過放大器、比較器和RC時(shí)間延遲來設(shè)置各個(gè)參量的電源系統(tǒng)管理電路已經(jīng)比不上數(shù)字化電源管理器件的優(yōu)越性。隨著設(shè)計(jì)的深入，元器件不再隨著參量的改變而改變，電路板也不再需要反復(fù)重新加工。采用專門的數(shù)字電源管理器件，允許通過配置軟件來設(shè)置工作參量。設(shè)計(jì)期間的更改可以很容易地通過軟件實(shí)現(xiàn)，不需作硬件的改變。配置軟件只要求設(shè)計(jì)人員調(diào)節(jié)少數(shù)參量，當(dāng)所有參數(shù)設(shè)置完畢后，可以通過I C端口用編程下載線下載到數(shù)字電源管理器件中。圖2為典型的電源管理器件的內(nèi)部功能單元框圖。
除了專門的電源管理集成電路應(yīng)用在電源系統(tǒng)的監(jiān)控上以外，新一代集成電路也在自身的設(shè)計(jì)上，增加了減小功耗和部分功率管理方面的功能，提供了與數(shù)字電源、數(shù)字化電源管理器件的通信接口。這已經(jīng)在較高檔的數(shù)字處理器上得到了體現(xiàn)。通過數(shù)字處理器和DC／DC變換器、數(shù)字電源管理單元之間的通信，處理器可以根據(jù)自身當(dāng)前的處理速度和任務(wù)強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)所需的電源電壓。數(shù)字電源和功率管理單元內(nèi)部包含若干寄存器，當(dāng)處理器所需要的電壓發(fā)生變化時(shí)，則通過總線接受新的數(shù)據(jù)來配置相關(guān)寄存器，或者在數(shù)字電源內(nèi)部程序的查找表中找到相關(guān)設(shè)置值。此種方案在功耗要求嚴(yán)格的領(lǐng)域正成為主流應(yīng)用。對(duì)于內(nèi)部各部分供電分開的處理器，可將正處于待命或睡眠狀態(tài)的功能單元完全斷電，這將進(jìn)一步減小功耗，但對(duì)于供電管理提出了更高的要求，不僅輸出端口增加，對(duì)不同端口的設(shè)置和監(jiān)測(cè)將顯著增加數(shù)字電源管理單元內(nèi)程序的復(fù)雜程度。處理器內(nèi)部的硬件性能監(jiān)視器則可以實(shí)現(xiàn)在特定時(shí)間內(nèi)提供最低的供電電壓。監(jiān)視器的信息直接來源于處理器內(nèi)部，所以監(jiān)視系統(tǒng)的閉環(huán)完全處在處理器芯片內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了功率管理的SOC設(shè)計(jì)
2 PMBUS數(shù)字電源開放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議
PMBus(電源管理總線)開放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范定義了一個(gè)用來控制功率轉(zhuǎn)換和管理器件的數(shù)字通信協(xié)議。在供電要求較復(fù)雜的系統(tǒng)中，通常使用多個(gè)DC／DC轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生不同的半導(dǎo)體器件所需要的供電要求。導(dǎo)致一個(gè)明顯結(jié)果就是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)測(cè)試及日常使用的過程中，控制和監(jiān)測(cè)這些電源將變得更加復(fù)雜。目前，許多高性能DC／DC轉(zhuǎn)換器仍然通過無源元件產(chǎn)生的模擬信號(hào)來進(jìn)行控制。即使采用最先進(jìn)的電源電路拓?fù)洌膊坏貌皇褂猛獠康碾娢黄骱碗娙輥碚{(diào)節(jié)諸如啟動(dòng)時(shí)間、輸出電壓值及開關(guān)頻率等參數(shù)，而且這些參數(shù)不能隨時(shí)更改。
PMBus是一種開放型標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電源管理協(xié)議�？赏ㄟ^定義傳輸和物理接口以及命令語言來實(shí)現(xiàn)變換器與其他設(shè)備的通信。PMBus的傳輸層是基于低成本的S us(系統(tǒng)管理總線)的1．1版本，這是個(gè)功能強(qiáng)健、符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的I C串行總線的版本，具有分組校驗(yàn)和主機(jī)通知的功能。PMBus繼承了SMBus的SMBALERT信號(hào)，該信號(hào)可使從屬設(shè)備中斷系統(tǒng)主機(jī)對(duì)總線的控制，此方式一方面減少了系統(tǒng)主機(jī)的負(fù)擔(dān)，使主機(jī)在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行閉環(huán)控制；另一方面比用專門的微控制器來查詢的方式更靈活。此外，PMBus協(xié)議將從屬設(shè)備的默認(rèn)配置數(shù)據(jù)保存在永久性存儲(chǔ)器內(nèi)或者在硬件上設(shè)置好，在上電的過程中，不需通過總線通信來得到初始配置信息，縮短了啟動(dòng)時(shí)間，也減少了一部分總線數(shù)據(jù)傳輸。除了SMBus的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)及中斷線之外，PMBus協(xié)議還規(guī)定了兩種與電源轉(zhuǎn)換設(shè)備共同使用的硬件信號(hào)，一個(gè)是與總線發(fā)出的命令共同使用的控制信號(hào)，用于啟動(dòng)和關(guān)閉單個(gè)從屬設(shè)備；另一個(gè)是可選的“寫保護(hù)”信號(hào)，用于防止更改從屬設(shè)備存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。與其他總線不同的是PMBus的主控設(shè)備不是專門的集成電路，這給進(jìn)行電源管理的主控設(shè)備選型提供了靈活性。當(dāng)電源系統(tǒng)比較龐大時(shí)，可以采用PC機(jī)配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集板卡來完成各種管理功能，而對(duì)于較小的電源系統(tǒng)則可以是單板上現(xiàn)成的微處理器、一些額外的低成本的微控制器或者是PLD器件中的一些門。在產(chǎn)品開發(fā)的不同階段，可以使用不同的設(shè)備作為PMBus的主機(jī)。在單板設(shè)計(jì)階段，一臺(tái)便攜式電腦可以作為總線主機(jī)；而在產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用時(shí)，則使用板上主處理器中的一些硬件資源來控制PMBus總線。在開發(fā)階段，可以通過PMBus總線動(dòng)態(tài)修改從屬設(shè)備中的設(shè)定值和配置，對(duì)于不同的電源系統(tǒng)，可以借鑒相同的PMBus總線配置，只需修改某些特定數(shù)據(jù)。最終通過測(cè)試的設(shè)定值和配置通過寫保護(hù)功能永久保存在從屬設(shè)備的存儲(chǔ)器之中。圖3所示為一個(gè)基于PMBus的數(shù)字電源管理典型連接結(jié)構(gòu)圖。
PMBus的通信是按照一個(gè)簡(jiǎn)單的命令集進(jìn)行的。每個(gè)數(shù)據(jù)包包含一個(gè)地址字節(jié)、一個(gè)命令字節(jié)、若干個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，以及一個(gè)可選的包檢驗(yàn)碼字節(jié)。圖4所示為一個(gè)主機(jī)到轉(zhuǎn)換器的信息傳輸。主機(jī)使用單獨(dú)的“開始”和“停止”來表明進(jìn)程開始和結(jié)束。而從屬設(shè)備則使用單獨(dú)的位來確認(rèn)收到的每個(gè)字節(jié)。與其他總線協(xié)議不同的是，PMBus總線不會(huì)等待專門的“執(zhí)行”命令，從屬設(shè)備在收到“停止”信號(hào)后，立即處理并執(zhí)行命令，符合電源管理的快速性要求。由于在開發(fā)之初就考慮到其開放性和超前性，PMBus總線協(xié)議支持的指令集可以提供兩個(gè)命令的擴(kuò)展，該擴(kuò)展可以有效地允許雙字節(jié)命令。一個(gè)擴(kuò)展留給PMBus設(shè)備的生產(chǎn)商，另一擴(kuò)展則由于協(xié)議本身的后續(xù)升級(jí)和修訂。實(shí)際應(yīng)用中，PMBus協(xié)議簡(jiǎn)單實(shí)用的指令集使得電源管理程序的編寫更加快速、簡(jiǎn)便。負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的電壓時(shí)序控制的實(shí)現(xiàn)就是很好的例子。上電時(shí)序控制對(duì)應(yīng)著有兩個(gè)PMBus命令，TON—DE—LAY命令設(shè)定了轉(zhuǎn)換器等待開始上電的時(shí)間，而TON RISE則設(shè)定了從零增加到設(shè)定輸出值的時(shí)間。所以，用戶可以通過相關(guān)軟件即可對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)延遲和上升時(shí)間進(jìn)行設(shè)定。同樣，對(duì)于掉電時(shí)序控制，也有對(duì)應(yīng)的掉電延遲命令TOFF_DELAY和下降時(shí)間TOFF—FALL設(shè)定。顯而易見，對(duì)于整個(gè)供電系統(tǒng)的啟動(dòng)和掉電的時(shí)序控制通常只需要4個(gè)PMBus命令來設(shè)定。PMBus已經(jīng)得到了業(yè)界的認(rèn)可。
3 數(shù)字電源管理技術(shù)的展望
電源管理是當(dāng)今熱門的電子技術(shù)，有關(guān)數(shù)字電源的PMBus控制協(xié)議、單片數(shù)字電源管理器和數(shù)字電源、分布電源拓?fù)涞刃庐a(chǎn)品、新拓?fù)浜托陆鉀Q方案等層出不窮，電源管理的市場(chǎng)在快速增長(zhǎng)，伴隨著的是電源的數(shù)字化、小型化、集成化、高效化和智能化�？梢灶A(yù)見的是，更高集成度和更多可編程性的電源管理半導(dǎo)體將會(huì)不斷應(yīng)用在各種電源系統(tǒng)中。同時(shí)，符合PMBus的電源和轉(zhuǎn)換器也會(huì)不斷地涌現(xiàn)出來。隨著半導(dǎo)體器件集成度的提高和數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化的電源控制與管理必將融合到同一硅片上來，集成了PWM 控制和完善的智能化管理功能的數(shù)字電源控制管理芯片必將給工程應(yīng)用帶來極大的便利。 |
