基于軟件管理電源系統的硬件

作者：時(shí)間：2018-09-03 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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　　假如您考慮到軟件團隊相對于其硬件伙伴所擁有的以下優(yōu)勢，那么就可以體會(huì )出：電源系統設計師和數字 ASIC/FPGA/微處理器電路板設計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://dyxdggzs.com/article/201809/388226.htm

　　● 電路板硬件設計需要耗時(shí)幾天乃至數周，相比之下，從編寫(xiě)軟件代碼到觀(guān)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。

　　● 軟件更新是根據需要 “推送” 給客戶(hù)，用以修補漏洞和改善現場(chǎng)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(guò)記錄的數據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(lái)實(shí)現快速改進(jìn)。而在另一塊場(chǎng)地上，硬件工程師們則是一連幾天呆在實(shí)驗室里，使用電壓計和示波器探頭彎腰駝背地的 “搗鼓” 各種電路板。

　　● 他們編寫(xiě)一組核心模塊代碼，隨后針對不同的客戶(hù)和市場(chǎng)需求進(jìn)行相應的修改。定制的硬件則需要變更組件和物料清單(BOM)，因而冒著(zhù)設計產(chǎn)生分歧的風(fēng)險。

　　電源系統設計師面臨的挑戰日益嚴峻

　　使問(wèn)題更加嚴重的是，隨著(zhù)納米級處理器(ASIC、FPGA、微處理器、DSP) 的電源電壓持續降低至目前的不足1V，新式數字電路板的電源系統設計團隊面臨的挑戰就更加嚴峻。負載點(diǎn)(POL)電源的容限要求日益嚴格，已接近2%至3%，誤差預算包括負載步進(jìn)時(shí)的DC準確度、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)更多內核的同時(shí)，電流值卻在上升，甚至超過(guò)了100A。在數百安培電流流經(jīng)電源及地平面的情況下保持數十毫伏的準確度是一個(gè)嚴峻的PDN(配電網(wǎng)絡(luò ))設計任務(wù)。與此同時(shí)，人們還在盡力提高處理能量的效率，以降低數據中心電費和冷卻成本。隨著(zhù)電路板溫度接近100oC，服務(wù)器機箱也變得越來(lái)越熱。設計周期越來(lái)越短，但是，視裕度測試結果的不同而不同，同時(shí)為了滿(mǎn)足不同市場(chǎng)及客戶(hù)的獨特需求，設計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(jiàn)要求，但是這種要求變得越來(lái)越復雜了，因為電源數量多達 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、監控、監視和裕度調節等電源管理任務(wù)一直由一堆雜亂無(wú)章的組件完成，包括監察器、排序器、ADC、DAC、放大器和微控制器。使這些分立器件協(xié)調一致地工作占據了大部分設計時(shí)間。集成型解決方案源于具有用于裕度調節、ADC 監視和 EEPROM 故障記錄之附加功能的監控器和排序器。但是這些器件在修整、裕度調節和監視方面的電壓準確度欠佳。另外還有片內系統 (SoC) 器件，此類(lèi)器件集成了許多獨立的數字門(mén)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，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，從而耗費長(cháng)達數月的時(shí)間來(lái)完成設計和驗證工作。

　　由于人們竭力推進(jìn)電源系統的數字化管理，因此產(chǎn)生了各種數字電源解決方案，這些解決方案的DC/DC 轉換器環(huán)路采用了ADC、數字補償器和數字 PWM。由于這種采樣系統固有的量化，數字環(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(lèi)系統往往有較慢的瞬態(tài)響應、準確度欠佳甚至可能出現不規律、不可預期的運行表現。而另一方面，模擬環(huán)路速度更快、噪聲更低、更可預測。管理多個(gè)電源時(shí)，需要對POL電源進(jìn)行數字化配置以及與其進(jìn)行數字化通信，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(kāi)始設計了一種完整的數字電源系統管理(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)增加數字接口和數字控制。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，有的有內置DC/DC轉換，有的則沒(méi)有，如圖2所示。所有這些器件都通過(guò)業(yè)界標準PMBus接口與電路板上的控制器通信。選擇PMBus可實(shí)現固件重用，有助于節省設計時(shí)間。對于那些首選自主工作而無(wú)需開(kāi)發(fā)代碼的工程師，凌力爾特還提供工程級開(kāi)發(fā)軟件LTpowerPlay，以定制器件配置。