數(shù)字電源管理架構的探討

隨著電源技術的發(fā)展，數(shù)字電源管理技術越來越多地應用于各類系統(tǒng)中。當今的大多數(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了市場的這種需求。

數(shù)字電源管理的幾種主要架構

隨著電源管理技術的發(fā)展，數(shù)字電源管理逐步成為業(yè)界公認的發(fā)展方向，I2C/SMBus物理接口成為通用的標準數(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。但是在不同的應用階段和應用環(huán)境下，數(shù)字電源管理技術也衍化為幾種不同的系統(tǒng)架構。

使用集中式的數(shù)字電源管理IC+模擬電源產品， 這種架構多見于幾年前的設計。由于系統(tǒng)廠商對于電源監(jiān)測和控制的需要，而數(shù)字控制式電源產品的相對稀缺，這種架構暫時可以滿足系統(tǒng)設計廠商的需求，從而被廣泛應用于各種高性能系統(tǒng)。這種架構的特點就是使用帶有電壓、電流采樣的專用數(shù)字IC，對每個分立式的模擬電源的輸入輸出電壓、電流等進行采樣然后經過系統(tǒng)分析進行調節(jié)或者輸出到主控IC。這種架構我們可以稱之為集中式數(shù)字電源管理架構(圖1)。這類方案的代表作為Linear Technology的LTC2978。

圖1，集中式數(shù)字電源管理架構。

單個電源管理IC集成多路電源軌，系統(tǒng)主控IC通過總線對各個電源軌進行監(jiān)控。這種系統(tǒng)架構也就是我們通常所說的PMIC架構。這種架構多用于小維型系統(tǒng)，例如手持設備等。這種系統(tǒng)一般情況只需使用單個PMIC來管理整個系統(tǒng)。系統(tǒng)主控IC通過PMIC的I2C/SMBus接口直接管理各個電源軌，達到高效和高集成度的目的。這類產品的代表作有Intersil公司的ISL9305H，這個產品在單個芯片中集成了兩路開關穩(wěn)壓器和兩路線性穩(wěn)壓器，使用I2C的標準接口與主控IC進行通信，達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)字電源產品，系統(tǒng)主控IC通過總線對各個分立式電源軌進行管理，這種架構的特點是使用通用的數(shù)字式電源管理產品，每個系統(tǒng)電源軌通過獨有的地址連接到系統(tǒng)總線上，主控IC通過地址對相應的電源軌進行監(jiān)測和控制。這類產品的代表作有Intersil的Zilker Labs數(shù)字電源產品系列(圖2)。

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

不同數(shù)字電源管理架構的特點

第一種架構由于實現(xiàn)比較簡單，系統(tǒng)設計者可以保持原有的模擬電源產品不變，只是外加一個專用的數(shù)字電源管理IC就可以實現(xiàn)，因而被廣泛應用于現(xiàn)有的各種高性能的系統(tǒng)中。但這種架構也有其固有的缺點，由于系統(tǒng)中的各個電源軌分布于系統(tǒng)板的不同位置，管理IC需要單獨對每個電源軌進行采樣、檢測和控制，這樣就需要為每個電源軌配置復雜的電壓、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，同時外圍的監(jiān)控線路還會增加系統(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誤，從而導致可靠性問題。

第二種架構，由于PMIC產品本身的局限性，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)等應用，由于系統(tǒng)功能復雜，功能模塊多，供電模塊功率也大得多，電源管理系統(tǒng)比較復雜，PMIC滿足不了這類應用。而對于像手機、手持式移動互聯(lián)網(wǎng)設備這種類似的小微型系統(tǒng)，由于其功能模塊相對固定，供電架構就比較單一，PMIC恰恰可以滿足這類設備的要求，將系統(tǒng)所需要的所有電源軌集成到單個電源管理IC中，將電源管理方案的集成度提到最高。

第三種架構由于實現(xiàn)簡單，控制策略方便易行，同時通過總線對各個分立的電源軌進行控制，外部走線少，可靠性高，抗干擾能力強，因而近年開始被廣泛應用于各個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商Intersil、Linear、TI等都有相應的數(shù)字電源解決方案，隨著其推廣力度的加強及出貨量的增加，成本也已經降低到了一個合理的范圍內，系統(tǒng)設計者開始越來越青睞這種方案了。

而這其中的佼佼者Intersil， 更是將數(shù)字電源產品的優(yōu)點發(fā)揮到了極致，極大地推進了分布式數(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。并且針對分布式電源架構的可靠性要求，給出了多個芯片級解決方案以方便客戶配合系統(tǒng)進行優(yōu)化。

以Intersil數(shù)字電源產品的代表芯片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)議指令集對其進行管理，它使用特殊的電源管理處理器+狀態(tài)機的模式來實現(xiàn)數(shù)字控制。這種數(shù)字控制器的優(yōu)點在于：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算環(huán)節(jié)產生的延時，實現(xiàn)了更快的反饋環(huán)路的響應，使電源方案的動態(tài)響應效果大大提升(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的一個主要風險就在于當電源的功率部分產生故障的時候，如果芯片的通信部分也出現(xiàn)故障，不僅可能導致系統(tǒng)失控，使數(shù)字電源易于維護的優(yōu)勢喪失，而且還有可能導致整個系統(tǒng)損毀。ZL6105這款芯片在設計之初就充分考慮到這個風險，將芯片的通信部分和功率部分分開來設計并進行隔離，使功率部分即使出現(xiàn)故障也不會影響到通信部分的功能，這樣系統(tǒng)的各種保護和報警部分仍然可以正常工作，這樣就可以將系統(tǒng)損毀的風險降到最低。

ZL6105還內置了自動補償算法，在方便系統(tǒng)設計師使用的同時，自動補償算法更可以優(yōu)化電源的動態(tài)響應，使電源的可靠性和穩(wěn)定性更佳。ZL6105的自動補償功能還可以將系統(tǒng)的仿真特性通過三個有效的參數(shù)(這三個參數(shù)分別是增益Gc，品質因素Q和自然頻率F)輸出到用戶界面，用戶通過讀取這三個參數(shù)可以更深層次地了解該電源方案的外部輸出特性，并且通過長期跟蹤其特性的變化還可以通過這組參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來對系統(tǒng)的可靠性進行有效評估。這個特性也為系統(tǒng)長期可靠性的評估指出了一個可行的方向。