數(shù)字電源管理架構(gòu)的探討

隨著電源技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電源管理技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于各類系統(tǒng)中。當(dāng)今的大多數(shù)系統(tǒng)除了主要的CPU、邏輯電路FPGA、DDR等數(shù)字芯片外，就只剩下電源管理芯片了，因此電源管理芯片的可控性和集成度就顯得極為重要了，數(shù)字電源管理正是順應(yīng)了市場(chǎng)的這種需求。

數(shù)字電源管理的幾種主要架構(gòu)

隨著電源管理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電源管理逐步成為業(yè)界公認(rèn)的發(fā)展方向，I2C/SMBus物理接口成為通用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電源管理接口，PMBus協(xié)議也成為通用數(shù)字電源管理協(xié)議。但是在不同的應(yīng)用階段和應(yīng)用環(huán)境下，數(shù)字電源管理技術(shù)也衍化為幾種不同的系統(tǒng)架構(gòu)。

使用集中式的數(shù)字電源管理IC+模擬電源產(chǎn)品， 這種架構(gòu)多見(jiàn)于幾年前的設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)廠商對(duì)于電源監(jiān)測(cè)和控制的需要，而數(shù)字控制式電源產(chǎn)品的相對(duì)稀缺，這種架構(gòu)暫時(shí)可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)廠商的需求，從而被廣泛應(yīng)用于各種高性能系統(tǒng)。這種架構(gòu)的特點(diǎn)就是使用帶有電壓、電流采樣的專用數(shù)字IC，對(duì)每個(gè)分立式的模擬電源的輸入輸出電壓、電流等進(jìn)行采樣然后經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析進(jìn)行調(diào)節(jié)或者輸出到主控IC。這種架構(gòu)我們可以稱之為集中式數(shù)字電源管理架構(gòu)(圖1)。這類方案的代表作為L(zhǎng)inear Technology的LTC2978。

圖1，集中式數(shù)字電源管理架構(gòu)。

單個(gè)電源管理IC集成多路電源軌，系統(tǒng)主控IC通過(guò)總線對(duì)各個(gè)電源軌進(jìn)行監(jiān)控。這種系統(tǒng)架構(gòu)也就是我們通常所說(shuō)的PMIC架構(gòu)。這種架構(gòu)多用于小維型系統(tǒng)，例如手持設(shè)備等。這種系統(tǒng)一般情況只需使用單個(gè)PMIC來(lái)管理整個(gè)系統(tǒng)。系統(tǒng)主控IC通過(guò)PMIC的I2C/SMBus接口直接管理各個(gè)電源軌，達(dá)到高效和高集成度的目的。這類產(chǎn)品的代表作有Intersil公司的ISL9305H，這個(gè)產(chǎn)品在單個(gè)芯片中集成了兩路開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和兩路線性穩(wěn)壓器，使用I2C的標(biāo)準(zhǔn)接口與主控IC進(jìn)行通信，達(dá)到高集成度和可控性的目的。

使用帶有I2C/SMBus接口的專用數(shù)字電源產(chǎn)品，系統(tǒng)主控IC通過(guò)總線對(duì)各個(gè)分立式電源軌進(jìn)行管理，這種架構(gòu)的特點(diǎn)是使用通用的數(shù)字式電源管理產(chǎn)品，每個(gè)系統(tǒng)電源軌通過(guò)獨(dú)有的地址連接到系統(tǒng)總線上，主控IC通過(guò)地址對(duì)相應(yīng)的電源軌進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。這類產(chǎn)品的代表作有Intersil的Zilker Labs數(shù)字電源產(chǎn)品系列(圖2)。

圖2，分布式數(shù)字電源管理架構(gòu)。[!--empirenews.page--]

不同數(shù)字電源管理架構(gòu)的特點(diǎn)

第一種架構(gòu)由于實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以保持原有的模擬電源產(chǎn)品不變，只是外加一個(gè)專用的數(shù)字電源管理IC就可以實(shí)現(xiàn)，因而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有的各種高性能的系統(tǒng)中。但這種架構(gòu)也有其固有的缺點(diǎn)，由于系統(tǒng)中的各個(gè)電源軌分布于系統(tǒng)板的不同位置，管理IC需要單獨(dú)對(duì)每個(gè)電源軌進(jìn)行采樣、檢測(cè)和控制，這樣就需要為每個(gè)電源軌配置復(fù)雜的電壓、電流以及溫度等監(jiān)控電路。一方面，模擬電源解決方案本身需要大量的外圍電路保證其可靠性，同時(shí)外圍的監(jiān)控線路還會(huì)增加系統(tǒng)板的布線困難，從而降低系統(tǒng)板的集成度;另一方面，這些監(jiān)控線路多是小信號(hào)線路，抗干擾能力差，很容易受到外部噪聲的干擾造成采樣錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致可靠性問(wèn)題。

第二種架構(gòu)，由于PMIC產(chǎn)品本身的局限性，雖然其可靠性和功率密度都非常好，但是適應(yīng)性較差，只適用于某些特定的小微型系統(tǒng);而大型系統(tǒng)，例如工業(yè)控制系統(tǒng)、通信基站系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等應(yīng)用，由于系統(tǒng)功能復(fù)雜，功能模塊多，供電模塊功率也大得多，電源管理系統(tǒng)比較復(fù)雜，PMIC滿足不了這類應(yīng)用。而對(duì)于像手機(jī)、手持式移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備這種類似的小微型系統(tǒng)，由于其功能模塊相對(duì)固定，供電架構(gòu)就比較單一，PMIC恰恰可以滿足這類設(shè)備的要求，將系統(tǒng)所需要的所有電源軌集成到單個(gè)電源管理IC中，將電源管理方案的集成度提到最高。

第三種架構(gòu)由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，控制策略方便易行，同時(shí)通過(guò)總線對(duì)各個(gè)分立的電源軌進(jìn)行控制，外部走線少，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，因而近年開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于各個(gè)高性能及高集成度的系統(tǒng)中。另外傳統(tǒng)的高性能電源芯片供應(yīng)商Intersil、Linear、TI等都有相應(yīng)的數(shù)字電源解決方案，隨著其推廣力度的加強(qiáng)及出貨量的增加，成本也已經(jīng)降低到了一個(gè)合理的范圍內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者開(kāi)始越來(lái)越青睞這種方案了。

而這其中的佼佼者Intersil， 更是將數(shù)字電源產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮到了極致，極大地推進(jìn)了分布式數(shù)字電源系統(tǒng)的發(fā)展。Intersil的Zilker Labs系列數(shù)字電源管理控制芯片采用先進(jìn)的全數(shù)字控制模式，將電源解決方案的功率密度做到了業(yè)界最高的程度。并且針對(duì)分布式電源架構(gòu)的可靠性要求，給出了多個(gè)芯片級(jí)解決方案以方便客戶配合系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

以Intersil數(shù)字電源產(chǎn)品的代表芯片ZL6105為例，這款數(shù)字電源芯片采用全數(shù)字的控制方法，采用I2C/SMBus接口，可使用PMBus協(xié)議指令集對(duì)其進(jìn)行管理，它使用特殊的電源管理處理器+狀態(tài)機(jī)的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。這種數(shù)字控制器的優(yōu)點(diǎn)在于：一方面可以避免軟件跑飛造成電源崩潰;另一方面也避免了軟件計(jì)算環(huán)節(jié)產(chǎn)生的延時(shí)，實(shí)現(xiàn)了更快的反饋環(huán)路的響應(yīng)，使電源方案的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果大大提升(圖3)。

另外此芯片還充分考慮到電源可靠性需求。采用分布式電源架構(gòu)的一個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)就在于當(dāng)電源的功率部分產(chǎn)生故障的時(shí)候，如果芯片的通信部分也出現(xiàn)故障，不僅可能導(dǎo)致系統(tǒng)失控，使數(shù)字電源易于維護(hù)的優(yōu)勢(shì)喪失，而且還有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)損毀。ZL6105這款芯片在設(shè)計(jì)之初就充分考慮到這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，將芯片的通信部分和功率部分分開(kāi)來(lái)設(shè)計(jì)并進(jìn)行隔離，使功率部分即使出現(xiàn)故障也不會(huì)影響到通信部分的功能，這樣系統(tǒng)的各種保護(hù)和報(bào)警部分仍然可以正常工作，這樣就可以將系統(tǒng)損毀的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

ZL6105還內(nèi)置了自動(dòng)補(bǔ)償算法，在方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)師使用的同時(shí)，自動(dòng)補(bǔ)償算法更可以優(yōu)化電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使電源的可靠性和穩(wěn)定性更佳。ZL6105的自動(dòng)補(bǔ)償功能還可以將系統(tǒng)的仿真特性通過(guò)三個(gè)有效的參數(shù)(這三個(gè)參數(shù)分別是增益Gc，品質(zhì)因素Q和自然頻率F)輸出到用戶界面，用戶通過(guò)讀取這三個(gè)參數(shù)可以更深層次地了解該電源方案的外部輸出特性，并且通過(guò)長(zhǎng)期跟蹤其特性的變化還可以通過(guò)這組參數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行有效評(píng)估。這個(gè)特性也為系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性的評(píng)估指出了一個(gè)可行的方向。