靈活的數字解決方案滿(mǎn)足新興電源管理需求

　　過(guò)去，面向計算和通信應用的功率轉換IC的實(shí)現非常簡(jiǎn)單。模擬脈沖寬度調制(PWM)IC只有兩個(gè)任務(wù)：輸出功率和調節電壓。諸如監視或診斷等其他功能被視為不必要。在極少數需要這些功能的情況下，則可以通過(guò)外接芯片實(shí)現。

　　然而，如今對高效、可靠的電源管理的需求正以比摩爾定律的發(fā)展速度快得多的速率迅猛增長(cháng)。面向計算和通信應用的主要處理器件包含了數十億個(gè)晶體管，這些器件對電源的要求更加精確和復雜。

　　在數據通信領(lǐng)域，出現了采用36至40個(gè)電壓軌的電路板。在計算應用中，主板常常利用超過(guò)20個(gè)電壓軌為各種ASIC、存儲器和處理器芯片組提供電源。這種復雜度要求對多種不同的參數進(jìn)行精密的診斷、控制和監視，而這是模擬PWM力所不及的。典型的解決辦法是添加一個(gè)單獨的微控制器，但這會(huì )大幅提高系統成本和設計復雜度，同時(shí)還會(huì )占用日趨小巧的電路板上的寶貴空間。

　　系統效率

　　精密控制必然引起另一個(gè)問(wèn)題：系統效率。諸如與日俱增的燃料成本和環(huán)境壓力等外部因素，進(jìn)一步突出了效率的重要性。

　　計算應用進(jìn)行數據處理所耗用的電力不足其總功耗的50%，散熱和系統損耗等浪費了大部分電源。最終結果是，浪費的每瓦電力都提高了應用的總占有成本，增加了全球能源消耗。如果不能測量和診斷系統，就幾乎不可能實(shí)時(shí)提高效率。典型的模擬電源解決方案是一個(gè)黑匣子，不提供任何診斷信息。

　　面對日益加劇的價(jià)格壓力，設計師越來(lái)越多地尋求不是通過(guò)獨立微處理器執行電源診斷，而是整合了該功能的電源解決方案。他們希望利用經(jīng)濟高效的解決方案來(lái)監視芯片的電流、電壓、溫度和功率效率。系統設計師希望其電源能夠針對每個(gè)電壓軌，提供故障報告，與PWM控制器進(jìn)行I2C通信以及靈活編程個(gè)性化參數。

　　這一切導致了一個(gè)簡(jiǎn)單結論：市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)力和客戶(hù)需求意味著(zhù)模擬解決方案的摩爾定律進(jìn)步速度滯后于當前的客戶(hù)需求。滿(mǎn)足當前需求的唯一途徑是轉向數字電源解決方案(請參閱圖1)。

　　圖1. 電源管理控制器框圖滿(mǎn)足了當前對轉向數字電源解決方案的需求。

　　有些市場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始了從模擬到數字的過(guò)渡。例如，要滿(mǎn)足服務(wù)器和高端顯卡對電源的復雜要求，就必須采用數字電源。其他市場(chǎng)也在逐步轉變。起初，這個(gè)決定只是簡(jiǎn)單地出于成本考慮。模擬PWM非常成熟、歷經(jīng)檢驗并且價(jià)格低廉。改用數字解決方案會(huì )增加系統的總成本。但是現在，成本等式已經(jīng)改變?？紤]到系統智能、故障處理和其他可編程特性，到頭來(lái)模擬解決方案的成本反而高于數字解決方案。對于像數字通信這樣的市場(chǎng)，模擬解決方案及其所需的額外芯片也不能滿(mǎn)足其空間要求。

　　數字解決方案

　　同許多新技術(shù)一樣，轉變都會(huì )遇到抵觸。這種抵觸是人之常情，抵觸的力量會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的流逝而減弱。不幸的是，除這種對轉變自然而然的抵觸之外，還有兩個(gè)主要的誤解困擾著(zhù)數字電源解決方案。

　　第一個(gè)誤解，圍繞著(zhù)成本問(wèn)題。當開(kāi)發(fā)人員權衡他們的選項，意識到現在用與模擬解決方案相同的成本就能實(shí)現數字電源管理的所有益處時(shí)，這個(gè)誤解就會(huì )迎刃而解。

　　第二個(gè)誤解更加惱人，這也是廣泛采用數字電源解決方案所面臨的最嚴峻的障礙。這個(gè)誤解認為，數字解決方案如此復雜，因此，為特定應用進(jìn)行定制需要進(jìn)行大量培訓，并且設計周期很長(cháng)?；ù罅繒r(shí)間進(jìn)行設計是否值得?可能有人認為值得，不過(guò)，幸運的是，設計師不必做出這個(gè)選擇。新近問(wèn)世的數字電源管理解決方案讓設計師感覺(jué)不到其復雜性。

　　就像PC用戶(hù)在使用應用程序時(shí)不需要知道其底層的代碼，電源設計師在利用數字電源解決方案時(shí)也不需要了解其編程。這促進(jìn)了這項技術(shù)的推廣。

　　先期應用者往往是熱衷于一探究竟的技術(shù)專(zhuān)家。然而，要得到普遍采用，必須通過(guò)更好、更直觀(guān)的用戶(hù)界面，隱蔽其復雜性。最新一代數字電源IC為數字電源解決方案帶來(lái)了希望。它可以與負責在電源管理的主板級和機架級協(xié)調電源的處理器、ASIC和微處理器進(jìn)行雙向通信(請參閱圖2)。

　　圖2. 最新一代數字電源IC可以與負責協(xié)調電源的處理器、ASIC和微處理器進(jìn)行雙向通信。

　　將模擬信息數字化之后，可以對每一條信息進(jìn)行乘、除、加運算、傳輸、補償、過(guò)濾以及存儲。由于數字算法決定了整個(gè)芯片的技術(shù)規格和性能，因此，這些數字電源IC還可以實(shí)現非線(xiàn)性和異步算法，以改善瞬態(tài)性能。

　　全部數據都已數字化，因此，很容易通過(guò)I2C總線(xiàn)傳輸這些信息。此外，這項技術(shù)也可以輕松適應未來(lái)的高速通信總線(xiàn)，實(shí)現高達33 MHz或66 MHz的總線(xiàn)速率。得益于這些架構性功能，能夠滿(mǎn)足復雜的系統要求的數字電源IC將在今后十年大顯身手。

　　圖形化用戶(hù)界面

　　數字電源IC解決方案也為系統設計師提供了靈活性。利用軟件，可以全面設置電源設計的補償、設置點(diǎn)、OCP電平、OVP電平和所有主要參數。通過(guò)一個(gè)直觀(guān)的圖形化用戶(hù)界面(GUI)，設計師可以?xún)?yōu)化特定設計的輸出電容和電感，而不必更換電路板上的電阻器或電容器。電源解決方案的設計實(shí)現無(wú)需更換分立式元件。最終的結果是不僅提高了系統靈活性，而且也縮短了最終產(chǎn)品的上市時(shí)間。

　　此外，產(chǎn)品一經(jīng)部署，就可以實(shí)現元件老化和溫度漂移校準。在數字電源IC中，可以針對每一條電壓軌進(jìn)行單獨設計和編程?？梢暂p松地將數字電源IC實(shí)現為多個(gè)相位，并且與各相位的同步時(shí)間并行運行，這樣就能降低EMI干擾信號，以便輕松過(guò)濾。降低了rms輸入電流，減少了所需的輸入電容。同樣地，是通過(guò)軟件而不是硬件，實(shí)現了靈活性和定制設計。

　　實(shí)現上述所有特性的關(guān)鍵是直觀(guān)的圖形化用戶(hù)界面(GUI)?，F在，即使不熟悉數字電源管理的設計師也能按照屏幕顯示的各種選擇，一步一步輕松編程輸出電壓、電流、故障、回路補償的PID系數以及其他主要功能。

　　設計師可以編程主板上的各個(gè)電壓軌，單獨設置每個(gè)電壓軌的定時(shí)、跟蹤、上升時(shí)間和可編程延遲。這樣，數字電源IC不僅可以實(shí)現PWM控制，而且可以對具備多個(gè)電壓軌的電路板進(jìn)行全面的電源管理，并與系統進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

　　提供圖形化用戶(hù)界面(GUI)看起來(lái)微不足道，但其實(shí)有重要意義。就像更好的用戶(hù)界面促進(jìn)了Linux系統的推廣，直觀(guān)的圖形化用戶(hù)界面(GUI)也縮短了數字電源管理解決方案的設計時(shí)間，消除了設計師在這方面的成本顧慮。數字電源IC不僅是當今的芯片技術(shù)提供的先進(jìn)解決方案，同時(shí)也是最經(jīng)濟劃算的解決方案。