數字電源管理架構的探討

不同數字電源管理架構的特點(diǎn)

第一種架構由于實(shí)現比較簡(jiǎn)單，系統設計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(zhuān)用的數字電源管理IC就可以實(shí)現，因而被廣泛應用于現有的各種高性能的系統中。但這種架構也有其固有的缺點(diǎn)，由于系統中的各個(gè)電源軌分布于系統板的不同位置，管理IC需要單獨對每個(gè)電源軌進(jìn)行采樣、檢測和控制，這樣就需要為每個(gè)電源軌配置復雜的電壓、電流以及溫度等監控電路。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)外圍的監控線(xiàn)路還會(huì )增加系統板的布線(xiàn)困難，從而降低系統板的集成度;另一方面，這些監控線(xiàn)路多是小信號線(xiàn)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(wèn)題。

第二種架構，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，但是適應性較差，只適用于某些特定的小微型系統;而大型系統，例如工業(yè)控制系統、通信基站系統、高速數據處理系統等應用，由于系統功能復雜，功能模塊多，供電模塊功率也大得多，電源管理系統比較復雜，PMIC滿(mǎn)足不了這類(lèi)應用。而對于像手機、手持式移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設備這種類(lèi)似的小微型系統，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(mǎn)足這類(lèi)設備的要求，將系統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。

第三種架構由于實(shí)現簡(jiǎn)單，控制策略方便易行，同時(shí)通過(guò)總線(xiàn)對各個(gè)分立的電源軌進(jìn)行控制，外部走線(xiàn)少，可靠性高，抗干擾能力強，因而近年開(kāi)始被廣泛應用于各個(gè)高性能及高集成度的系統中。另外傳統的高性能電源芯片供應商Intersil、Linear、TI等都有相應的數字電源解決方案，隨著(zhù)其推廣力度的加強及出貨量的增加，成本也已經(jīng)降低到了一個(gè)合理的范圍內，系統設計者開(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)了分布式數字電源系統的發(fā)展。Intersil的Zilker Labs系列數字電源管理控制芯片采用先進(jìn)的全數字控制模式，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(gè)芯片級解決方案以方便客戶(hù)配合系統進(jìn)行優(yōu)化。

以Intersil數字電源產(chǎn)品的代表芯片ZL6105為例，這款數字電源芯片采用全數字的控制方法，采用I2C/SMBus接口，可使用PMBus協(xié)議指令集對其進(jìn)行管理，它使用特殊的電源管理處理器+狀態(tài)機的模式來(lái)實(shí)現數字控制。這種數字控制器的優(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算環(huán)節產(chǎn)生的延時(shí)，實(shí)現了更快的反饋環(huán)路的響應，使電源方案的動(dòng)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(gè)主要風(fēng)險就在于當電源的功率部分產(chǎn)生故障的時(shí)候，如果芯片的通信部分也出現故障，不僅可能導致系統失控，使數字電源易于維護的優(yōu)勢喪失，而且還有可能導致整個(gè)系統損毀。ZL6105這款芯片在設計之初就充分考慮到這個(gè)風(fēng)險，將芯片的通信部分和功率部分分開(kāi)來(lái)設計并進(jìn)行隔離，使功率部分即使出現故障也不會(huì )影響到通信部分的功能，這樣系統的各種保護和報警部分仍然可以正常工作，這樣就可以將系統損毀的風(fēng)險降到最低。

ZL6105還內置了自動(dòng)補償算法，在方便系統設計師使用的同時(shí)，自動(dòng)補償算法更可以?xún)?yōu)化電源的動(dòng)態(tài)響應，使電源的可靠性和穩定性更佳。ZL6105的自動(dòng)補償功能還可以將系統的仿真特性通過(guò)三個(gè)有效的參數(這三個(gè)參數分別是增益Gc，品質(zhì)因素Q和自然頻率F)輸出到用戶(hù)界面，用戶(hù)通過(guò)讀取這三個(gè)參數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(cháng)期跟蹤其特性的變化還可以通過(guò)這組參數的統計數據來(lái)對系統的可靠性進(jìn)行有效評估。這個(gè)特性也為系統長(cháng)期可靠性的評估指出了一個(gè)可行的方向。