基于軟件管理電源系統(tǒng)的硬件

作者：時(shí)間：2018-09-03 來源：網(wǎng)絡(luò)

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  技術(shù)方案與實(shí)用技巧

　　假如您考慮到軟件團(tuán)隊(duì)相對于其硬件伙伴所擁有的以下優(yōu)勢，那么就可以體會出：電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和數(shù)字 ASIC/FPGA/微處理器電路板設(shè)計(jì)人員對于從事軟件工程的同事略感 “羨慕” 或許是合乎情理的。

本文引用地址：http://2s4d.com/article/201809/388226.htm

　　● 電路板硬件設(shè)計(jì)需要耗時(shí)幾天乃至數(shù)周，相比之下，從編寫軟件代碼到觀察其效果之間的時(shí)間延遲要短得多。對產(chǎn)品上市進(jìn)程造成最大限制的是其編碼和測試生產(chǎn)率，而與其他因素關(guān)系不大。

　　● 軟件更新是根據(jù)需要 “推送” 給客戶，用以修補(bǔ)漏洞和改善現(xiàn)場使用性能。硬件更新則必需召回電路板進(jìn)行返工。

　　● 他們可以在舒適的小隔間里通過記錄的數(shù)據(jù)輕松地跟蹤其代碼的性能。性能瓶頸一下子就可以確定，因而能在未來實(shí)現(xiàn)快速改進(jìn)。而在另一塊場地上，硬件工程師們則是一連幾天呆在實(shí)驗(yàn)室里，使用電壓計(jì)和示波器探頭彎腰駝背地的 “搗鼓” 各種電路板。

　　● 他們編寫一組核心模塊代碼，隨后針對不同的客戶和市場需求進(jìn)行相應(yīng)的修改。定制的硬件則需要變更組件和物料清單(BOM)，因而冒著設(shè)計(jì)產(chǎn)生分歧的風(fēng)險(xiǎn)。

　　電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻

　　使問題更加嚴(yán)重的是，隨著納米級處理器(ASIC、FPGA、微處理器、DSP) 的電源電壓持續(xù)降低至目前的不足1V，新式數(shù)字電路板的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)面臨的挑戰(zhàn)就更加嚴(yán)峻。負(fù)載點(diǎn)(POL)電源的容限要求日益嚴(yán)格，已接近2%至3%，誤差預(yù)算包括負(fù)載步進(jìn)時(shí)的DC準(zhǔn)確度、紋波和瞬態(tài)偏移。請注意，0.9V 電源的3%僅為27mV。在電源電壓下降、處理器中塞進(jìn)更多內(nèi)核的同時(shí)，電流值卻在上升，甚至超過了100A。在數(shù)百安培電流流經(jīng)電源及地平面的情況下保持?jǐn)?shù)十毫伏的準(zhǔn)確度是一個(gè)嚴(yán)峻的PDN(配電網(wǎng)絡(luò))設(shè)計(jì)任務(wù)。與此同時(shí)，人們還在盡力提高處理能量的效率，以降低數(shù)據(jù)中心電費(fèi)和冷卻成本。隨著電路板溫度接近100oC，服務(wù)器機(jī)箱也變得越來越熱。設(shè)計(jì)周期越來越短，但是，視裕度測試結(jié)果的不同而不同，同時(shí)為了滿足不同市場及客戶的獨(dú)特需求，設(shè)計(jì)方案在最后一分鐘仍然需要各種修改。對于有多個(gè)電源的電路板，排序一直是一種常見要求，但是這種要求變得越來越復(fù)雜了，因?yàn)殡娫磾?shù)量多達(dá) 20 至50個(gè)，而且跨越了多種功率域。

　　迄今為止的解決方案

　　諸如排序、監(jiān)控、監(jiān)視和裕度調(diào)節(jié)等電源管理任務(wù)一直由一堆雜亂無章的組件完成，包括監(jiān)察器、排序器、ADC、DAC、放大器和微控制器。使這些分立器件協(xié)調(diào)一致地工作占據(jù)了大部分設(shè)計(jì)時(shí)間。集成型解決方案源于具有用于裕度調(diào)節(jié)、ADC 監(jiān)視和 EEPROM 故障記錄之附加功能的監(jiān)控器和排序器。但是這些器件在修整、裕度調(diào)節(jié)和監(jiān)視方面的電壓準(zhǔn)確度欠佳。另外還有片內(nèi)系統(tǒng) (SoC) 器件，此類器件集成了許多獨(dú)立的數(shù)字門和具有 ADC、DAC、比較器及 PWM 輸出的邏輯電路。由于不具備任何的電源管理架構(gòu)，因此即使面對最基本的任務(wù)，這些器件也需要進(jìn)行大量的編程，從而耗費(fèi)長達(dá)數(shù)月的時(shí)間來完成設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作。

　　由于人們竭力推進(jìn)電源系統(tǒng)的數(shù)字化管理，因此產(chǎn)生了各種數(shù)字電源解決方案，這些解決方案的DC/DC 轉(zhuǎn)換器環(huán)路采用了ADC、數(shù)字補(bǔ)償器和數(shù)字 PWM。由于這種采樣系統(tǒng)固有的量化，數(shù)字環(huán)路在電源輸出電壓中產(chǎn)生了更大的噪聲和紋波。而且，這類系統(tǒng)往往有較慢的瞬態(tài)響應(yīng)、準(zhǔn)確度欠佳甚至可能出現(xiàn)不規(guī)律、不可預(yù)期的運(yùn)行表現(xiàn)。而另一方面，模擬環(huán)路速度更快、噪聲更低、更可預(yù)測。管理多個(gè)電源時(shí)，需要對POL電源進(jìn)行數(shù)字化配置以及與其進(jìn)行數(shù)字化通信，但是電源環(huán)路本身依然可以保持是模擬的，這樣就可以同時(shí)充分利用模擬和數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢。

　　完整解決方案

　　凌力爾特一直牢記POL電源發(fā)展趨勢，已經(jīng)從頭開始設(shè)計(jì)了一種完整的數(shù)字電源系統(tǒng)管理(DPSM) 解決方案。其核心理念就是，電源環(huán)路依然保持是模擬的，同時(shí)增加數(shù)字接口和數(shù)字控制。該解決方案如圖1所示。這個(gè)DPSM 系列包括多種可互操作的器件，有的有內(nèi)置DC/DC轉(zhuǎn)換，有的則沒有，如圖2所示。所有這些器件都通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)PMBus接口與電路板上的控制器通信。選擇PMBus可實(shí)現(xiàn)固件重用，有助于節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。對于那些首選自主工作而無需開發(fā)代碼的工程師，凌力爾特還提供工程級開發(fā)軟件LTpowerPlay，以定制器件配置。