數(shù)字電源管理技術(shù)及電源管理總線

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。現(xiàn)代化的功率管理半導(dǎo)體已經(jīng)將功率開(kāi)關(guān)與多個(gè)相關(guān)保護(hù)及控制電路集成在一起，來(lái)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(wú)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(guò)欠壓、過(guò)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(zhuān)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)，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(guò)放大器、比較器和RC時(shí)間延遲來(lái)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(zhuān)門(mén)的數(shù)字電源管理器件，允許通過(guò)配置軟件來(lái)設(shè)置工作參量。設(shè)計(jì)期間的更改可以很容易地通過(guò)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(guò)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(zhuān)門(mén)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(guò)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(guò)總線接受新的數(shù)據(jù)來(lái)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(kāi)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(lái)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)