電源管理與轉換的整合可簡(jiǎn)化電源系統設計
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另一個(gè)棘手的問(wèn)題來(lái)自難以預料的FPGA或ASIC最佳運行參數的變化。最終的特性結果有時(shí)會(huì )迫使設計人員在構建了初始硬件后更改他們的設計，從而導致他們在以下兩個(gè)方面上很難做出決定：利用性能更低的產(chǎn)品抓住所需的市場(chǎng)商機，還是冒可能給予競爭對手上市時(shí)間優(yōu)勢的延誤風(fēng)險。根據所選的電源架構，這種更改可能如同以下情況那樣復雜：需要額外電壓域和新的排序，以及調整系統的熱作業(yè)面（operating profile），以確保在同一位置出現更高的總功耗時(shí)保持可靠性。
具有整合電源管理的負載點(diǎn)轉換器有助于系統設計人員開(kāi)發(fā)具有分布式智能的電源系統架構。這些架構具有更高的性能，而且比傳統模擬電源架構更容易設計。這種智能電源系統還可使系統設計人員在研發(fā)周期后期快速適應系統要求變化，而且不會(huì )出現大量硬件再設計或重大的軟件開(kāi)發(fā)延遲問(wèn)題，從而縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間，并可使電源系統架構在具有不同電源要求的眾多產(chǎn)品間輕松地進(jìn)行再利用。
PMBus 實(shí)現了兼容性
為簡(jiǎn)化智能電源系統設計，我們必須首先提供大量兼容的電源產(chǎn)品，而且這些產(chǎn)品需要具有實(shí)施復雜電源管理功能所需的靈活性和智能，同時(shí)可減輕結合不同電源元件的負擔。為滿(mǎn)足這一要求，幾家電源IC及電源模塊公司創(chuàng )建了Power Management Bus（PMBus），這是一個(gè)通過(guò)I2C或SMBus硬件接口提供的標準指令集。這種開(kāi)放式標準指令集有助于電源元件制造商（IC及模塊）提供兼容的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品可輕松進(jìn)行集成，以創(chuàng )建先前需要大量設計和定制軟硬件的定制智能電源架構。此外，它還提供了標準PMBus命令，以支持多個(gè)電源管理功能，其中包括電壓排序、邊限、電壓、電流及溫度監控，以及廣泛的故障管理。此外，每個(gè)PMBus命令必須由任何相一致的器件（無(wú)論制造商、外形或功率級如何）以同樣方式加以解釋?zhuān)瑥亩奢p松擴展簡(jiǎn)單的系統軟件工作，以便包含所需數目的電源域。
系統設計示例
表1說(shuō)明了嵌入式電信設計的典型系統電源要求，以及與各種電源域相關(guān)的任何管理要求。電壓與負載電流范圍廣，在整個(gè)工作電壓范圍內測試功能需要電壓邊限，每個(gè)器件的電壓必須能夠動(dòng)態(tài)加以控制，以便在各種工作條件下優(yōu)化性能。此外，還必須監控每個(gè)負載器件的電壓、電流及溫度，以便提供有關(guān)這些高性能、高價(jià)格IC正常情況的準確反饋，并確保系統在指定的溫度范圍內運行?；旌鲜褂枚喾N高密度邏輯IC還需要電壓排序與跟蹤的獨特組合。為實(shí)現系統兼容性并將通過(guò)背板的輸入電流降至最小，我們選擇了12V的輸入總線(xiàn)電壓。這種設計一般涉及多個(gè)電源轉換IC、多個(gè)外部電源管理IC及分立元件，以實(shí)施排序、跟蹤、邊限及監控功能。但通過(guò)使用可與PMBus兼容的產(chǎn)品，利用最少的獨特電源轉換IC及最少的器件間連接（如圖1所示）即可輕松構建該系統。
對于更高的電流供應，我們選擇了單相PMBus DC/DC控制器（ZL2005），因為該控制器能夠靈活地處理高達30A的負載電流，而且通過(guò)與多個(gè)器件并聯(lián)，它還能夠傳輸更高的負載電流。對于低電流（低于3A）供應，我們選擇了具有整合MOSFET的PMBus DC/DC轉換器（ZL2105），因為其外形較小。每個(gè)器件中均整合了所有必需的電源管理功能，因此可非常輕松地根據每個(gè)設備的單獨要求對它們進(jìn)行配置，同時(shí)可將分立元件數減至最少，以及最大程度地減小與一般用于配置模擬電源IC的R/C網(wǎng)絡(luò )相關(guān)的容差。此外，每個(gè)IC均整合了高度精確的溫度傳感器，從而使為特定負載IC供電的IC能夠實(shí)時(shí)監控其溫度。
無(wú)需使用排序器進(jìn)行排序
這些IC的眾多獨特功能之一是它們能夠在無(wú)需外部排序器IC或軟件開(kāi)發(fā)的情況下實(shí)施確定性的排序算法。利用簡(jiǎn)單的引腳連接可設定每個(gè)IC的輸出電壓上升持續時(shí)間，并可對每個(gè)電源加以配置，使其在特定時(shí)間開(kāi)始輸出上升，或者跟隨另一個(gè)系統電壓的輸出上升。通過(guò)將跟蹤器件的VTRK引腳與將加以跟蹤的電壓相連，還可輕松配置電壓跟蹤；可使用相同引腳連接方法選擇一致跟蹤或比例跟蹤。使用這種簡(jiǎn)單方案可快速配置整個(gè)系統排序順序和/或跟蹤比率，無(wú)需主機處理器或軟件開(kāi)發(fā)。圖2顯示了多個(gè)電壓間排序與一致跟蹤的最終組合。
適應系統要求的變化
當為高性能數字IC供電時(shí)，例如FPGA、DSP及ASIC，初始化硬件后電壓與排序要求經(jīng)常會(huì )發(fā)生變化。例如，在最初測試后，確定只有在第一次對邏輯電源加電或在FPGA內核供電前對FPGA I/O電源加電（與最初設計假設相反）時(shí)系統性能才能符合設計目標。使用傳統電源管理IC實(shí)施這種更改將需要進(jìn)行硬件及系統軟件更改，從而會(huì )失去關(guān)鍵的市場(chǎng)機會(huì )。但使用支持PMBus的電源管理IC，這些更改可通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的PMBus命令重新配置排序來(lái)加以實(shí)施。系統修改僅限于非常簡(jiǎn)單的軟件更改，無(wú)硬件更改，從而可使設計人員保持相同的項目期限。圖3顯示了已快速進(jìn)行了重新配置的新排序。
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